Scientifiques Sara Walker, Bradley Karas, Siyu Zhou, Bryan Daniels, Harrison Smith, Hyunju Kim avec 67 feuilles de papier, un pour chacun des réseaux biologiques étudiés dans cette recherche. Crédit :ASU
Les biologistes en savent beaucoup sur le fonctionnement de la vie, mais ils sont encore en train de comprendre les grandes questions de pourquoi la vie existe, pourquoi il prend différentes formes et tailles, et comment la vie est capable de s'adapter étonnamment pour remplir tous les coins et recoins de la Terre.
Une équipe interdisciplinaire de chercheurs de l'Arizona State University a découvert que les réponses à ces questions peuvent résider dans la capacité de la vie à trouver un terrain d'entente, équilibre entre robustesse et adaptabilité. Les résultats de leur étude ont été récemment publiés dans Lettres d'examen physique .
L'importance de la stabilité
L'équipe de recherche, dirigé par Bryan Daniels du Center for Biosocial Complex Systems avec la direction de Sara Walker, membre du corps professoral de la School of Earth and Space Exploration, passé au crible les données pour mieux comprendre les connexions fondamentales entre 67 réseaux biologiques qui décrivent comment les composants de ces systèmes interagissent les uns avec les autres. Les réseaux biologiques sont des ensembles de composants individuels (comme des protéines et des gènes) qui interagissent les uns avec les autres pour effectuer des tâches importantes comme la transmission de signaux ou la décision du destin d'une cellule. Ils ont mesuré un certain nombre de caractéristiques mathématiques, simuler le comportement des réseaux et rechercher des modèles pour fournir des indices sur ce qui les rend si spéciaux.
Pour effectuer leur étude, ils ont examiné les données de la base de données Cell Collective. Cette riche ressource représente les processus biologiques tout au long de la vie - encapsulant un large éventail de processus biologiques allant des humains aux animaux, les plantes, bactéries et virus. Le nombre de composants dans ces réseaux variait de cinq nœuds à 321 nœuds, englobant 6 500 interactions biologiques différentes.
Et ces nœuds comprennent de nombreux éléments constitutifs clés de la vie :des gènes et des protéines qui agissent comme des commutateurs principaux contrôlant la division cellulaire, croissance et mort, et communication.
En utilisant une multitude de données moléculaires, les scientifiques peuvent maintenant étudier les interactions entre les blocs de construction, dans le but ultime de comprendre la clé de l'émergence de la vie.
"Nous voulions savoir si les réseaux biologiques étaient particuliers par rapport aux réseaux aléatoires, et si oui, comment, " dit Daniels.
Ils se sont concentrés sur la recherche d'un seuil à partir duquel un système entier peut changer en réponse à un petit changement. Un tel changement pourrait bouleverser profondément l'équilibre de la vie, créant une bascule du destin en décidant si un organisme mourrait ou prospérerait.
« Dans un système stable, les organismes reviendront toujours à leur état d'origine, " explique Daniels. " Dans un système instable, l'effet d'un petit changement augmentera et entraînera un comportement différent de l'ensemble du système."
Grâce à des tests rigoureux des 67 réseaux, l'équipe a découvert que tous les réseaux partageaient une propriété particulière :ils existaient entre deux extrêmes, ni trop stable ni instable.
En tant que tel, l'équipe a découvert que la sensibilité, qui est une mesure de stabilité, était proche d'un point spécial que les biologistes appellent « criticité, " suggérant que les réseaux peuvent être adaptés de manière évolutive à un compromis optimal entre stabilité et instabilité.
La vie dans l'équilibre
Des études antérieures ont montré qu'une poignée de systèmes biologiques, des neurones aux colonies de fourmis, se situent dans ce terrain intermédiaire de criticité et cette nouvelle recherche élargit la liste des systèmes vivants dans cet état.
Cela peut être particulièrement intéressant pour les astrobiologistes, comme le co-auteur Walker qui cherche la vie sur d'autres planètes. Comprendre comment la vie peut prendre diverses formes, et pourquoi il le fait, peut aider à identifier la vie sur d'autres planètes et à déterminer en quoi elle pourrait être différente de la vie sur Terre. Cela peut également aider à éclairer notre recherche des origines de la vie en laboratoire.
"Nous ne comprenons toujours pas vraiment ce qu'est la vie, " dit Walker, " et déterminer quelles propriétés quantitatives, comme la criticité, mieux distinguer la vie de la non-vie est une étape importante vers la construction de cette compréhension à un niveau fondamental afin que nous puissions reconnaître la vie sur d'autres mondes ou dans nos expériences sur Terre, même si ça a l'air très différent de nous."
Les résultats font également progresser le domaine de la biologie quantitative en montrant que, des éléments de base de la vie, les scientifiques peuvent identifier une sensibilité critique qui est commune à une large bande de biologie. Et il promet de faire progresser la biologie synthétique en permettant aux scientifiques d'utiliser les éléments constitutifs de la vie pour construire plus précisément des réseaux biochimiques similaires aux systèmes vivants.
"Chaque système biologique a des caractéristiques distinctives, de ses composants et sa taille à sa fonction et ses interactions avec le milieu environnant, " explique le co-auteur Hyunju Kim de la School of Earth and Space Exploration and the Beyond Center. " Dans cette recherche, pour la première fois, nous sommes en mesure d'établir des liens entre l'hypothèse théorique sur la tendance universelle des systèmes biologiques à conserver l'équilibre au degré moyen de stabilité et 67 modèles biologiques avec diverses caractéristiques construits sur des données expérimentales réelles.
En plus de Daniels, Marcheur, et Kim, l'équipe de recherche interdisciplinaire sur cette étude comprend les co-auteurs Douglas Moore du Beyond Center, Siyu Zhou du Département de physique, Bradley Karas et Harrison Smith de la School of Earth and Space Exploration, et Stuart Kauffman de l'Institute for Systems Biology à Seattle, Washington.
Cette recherche a émergé d'un cours dirigé par Walker et Kim sur les approches des systèmes complexes pour comprendre la vie, offert à l'École d'exploration de la Terre et de l'espace. Co-auteurs Karas, Zhou, et Smith étaient à l'origine des étudiants de la classe lorsque le projet a commencé.
"Dans notre projet de classe, les outils analytiques et les codes pour étudier les systèmes dynamiques généraux ont été fournis, et nous avons donné aux étudiants la possibilité de choisir les systèmes dynamiques qui les intéressaient, " dit Kim. " On a demandé aux étudiants de modifier l'analyse et les codes pour étudier diverses caractéristiques de chaque système sélectionné. Par conséquent, nous avons fini par avoir affaire à de nombreux réseaux biologiques différents, enquêter sur des aspects plus divers de ces systèmes, et développé plus de codes et d'outils d'analyse, même après la fin du cours."