vignette|Réseau métabolique phosphoro-dépendant Un réseau biologique est tout réseau touchant au domaine des systèmes biologiques. Un réseau est un système avec des sous-unités qui sont liées entre elle pour former un tout, comme des espèces formant un réseau alimentaire entier. Les réseaux biologiques fournissent une représentation mathématique des connexions trouvées dans les études écologiques, évolutives et physiologiques, tout comme les réseaux de neurones. L'analyse des réseaux biologiques par rapport aux maladies humaines a conduit au domaine de la médecine des réseaux.
Biologie des réseaux et bioinformatique Les systèmes biologiques complexes peuvent être représentés et analysés comme des réseaux mathématiques. Par exemple, les écosystèmes peuvent être modélisés comme des réseaux d'espèces en interaction ou une protéine peut être modélisée comme un réseau d'acides aminés. En décomposant une protéine en éléments plus petits, les acides aminés peuvent être représentés comme un réseau d'atomes connectés, comme le carbone, l'azote et l'oxygène. Les nœuds et les liens sont les composants de base d'un réseau. Les nœuds représentent les unités du réseau, tandis que les liens représentent les interactions entre les unités. Les nœuds peuvent représenter un vaste réseau d'unités biologiques, allant d'organismes individuels à des neurones individuels dans le cerveau. Deux propriétés importantes d'un réseau sont le degré et la centralité de l'interdépendance. Le degré (ou connectivité, un usage du terme différent de celui utilisé en théorie des graphes) est le nombre de bords qui relient un nœud, tandis que l'interactivité est une mesure de la centralité d'un nœud dans un réseau. Les nœuds présentant une forte interconnexion servent essentiellement de ponts entre les différentes parties du réseau (c.-à-d. que les interactions doivent passer par ce nœud pour atteindre d'autres parties du réseau). Dans les réseaux sociaux, les nœuds à haut degré d'interdépendance peuvent jouer un rôle important dans la composition globale d'un réseau.
Dès les années 1980, les chercheurs ont commencé à considérer l'ADN ou les génome, comme le stockage dynamique d'un système de langage avec des états finis calculables précis représentés comme une machine à états finis. Des recherches récentes sur les systèmes complexes ont également suggéré une certaine similitude de grande envergure dans l'organisation de l'information dans les problèmes de la biologie, de l'informatique et de la physique, comme le condensat de Bose-Einstein (un état particulier de la matière).
La bioinformatique a de plus en plus déplacé son sujet d'étude vers des gènes individuels, des protéines et des algorithmes de recherche vers des réseaux à grande échelle finissant par -omes tels que biome, interactome, génome et protéome. De telles études théoriques ont révélé que les réseaux biologiques partagent de nombreuses fonctionnalités avec d'autres réseaux tels que l'Internet ou les réseaux sociaux, par exemple leur topologie de réseau.
Réseaux en biologie
Réseaux d'interaction protéine-protéine De nombreuses interactions protéine-protéine (IPP) dans une cellule forment des réseaux d'interaction protéique (PIN) où les protéines sont des nœuds et leurs interactions sont des liens. Les PIN sont les réseaux les plus analysés en biologie. Il existe des dizaines de méthodes de détection des IPP pour identifier de telles interactions. Le système à deux hybrides de levure est une technique expérimentale couramment utilisée pour l'étude des interactions binaires.
Des études récentes ont indiqué la conservation des réseaux moléculaires au cours de l'évolution. De plus, il a été découvert que les protéines à haut degré de connectivité sont plus susceptibles d'être essentielles à la survie que les protéines à moindre degré. Cela suggère que la composition globale du réseau (pas simplement les interactions entre les paires de protéines) est importante pour le fonctionnement global d'un organisme.
Réseaux de régulation des gènes (réseaux d'interaction ADN – protéine) L'activité des gènes est régulée par des facteurs de transcription, des protéines qui se lient généralement à l'ADN. La plupart des facteurs de transcription se lient à plusieurs sites de liaison dans un génome. En conséquence, toutes les cellules ont des réseaux de régulation génomiques complexes. Par exemple, le génome humain code environ facteurs de transcription se liant à l'ADN et qui régulent l'expression plus de gènes humains. Les technologies pour étudier les réseaux de régulation des gènes incluent ChIP-chip, ChIP-seq, CliP-seq et autres.
Réseaux de coexpression de gènes (réseaux d'association transcription-transcription) Les réseaux de coexpression de gènes peuvent être interprétés comme des réseaux d'association entre des variables qui mesurent les abondances de transcrits. Ces réseaux ont été utilisés pour fournir un système d'analyse biologique de l' ADN des données de puces à ADN, données ARN-seq, données miRNA etc. L'analyse de réseau de co-expression du gène pondéré est largement utilisé pour identifier les modules de co-expression et les gènes de moyeu intramodulaires. Les modules de co-expression peuvent correspondre à des types de cellules ou à des voies. Les concentrateurs intramodulaires hautement connectés peuvent être interprétés comme des représentants de leur module respectif.
Réseaux métaboliques Les composés chimiques d'une cellule vivante sont liés par des réactions biochimiques qui convertissent un composé en un autre. Les réactions sont catalysées par des enzymes. Ainsi, tous les composés d'une cellule font partie d'un réseau biochimique complexe de réactions appelé réseau métabolique. Il est possible d'utiliser des analyses de réseau pour déduire comment la sélection agit sur les voies métaboliques.
Réseaux de signalisation Les signaux sont transduits à l'intérieur des cellules ou entre les cellules et forment ainsi des réseaux de signalisation complexes. Par exemple, dans la voie MAPK/ERK la surface cellulaire est transduite vers le noyau cellulaire par une série d'interactions protéine-protéine, des réactions de phosphorylation et d'autres événements. Les réseaux de signalisation intègrent généralement les réseaux d'interaction protéine-protéine, les réseaux de régulation des gènes et les réseaux métaboliques.
Réseaux neuronaux Les interactions complexes dans le cerveau en font un candidat idéal pour appliquer la théorie des réseaux. Les neurones du cerveau sont profondément connectés les uns aux autres, ce qui entraîne la présence de réseaux complexes dans les aspects structurels et fonctionnels du cerveau. Par exemple, des propriétés de réseau de petit monde ont été démontrées dans les connexions entre les zones corticales du cerveau de primate ou lors de la déglutition chez l'homme. Cela suggère que les zones corticales du cerveau n'interagissent pas directement les unes avec les autres, mais la plupart des zones peuvent être atteintes à partir de toutes les autres par seulement quelques interactions.
Réseaux alimentaires Tous les organismes sont connectés les uns aux autres grâce à des interactions alimentaires. Autrement dit, si une espèce mange ou est mangée par une autre espèce, elles sont connectées dans un réseau alimentaire complexe d'interactions prédateurs et proies. La stabilité de ces interactions est une question de longue date en écologie. Autrement dit, si certains individus sont supprimés, qu'advient-il du réseau (c'est-à-dire qu'il s'effondre ou s'adapte)? L'analyse de réseau peut être utilisée pour explorer la stabilité du réseau trophique et déterminer si certaines propriétés de réseau se traduisent par des réseaux plus stables. De plus, l'analyse du réseau peut être utilisée pour déterminer comment les prélèvements sélectifs d'espèces influenceront le réseau alimentaire dans son ensemble. Ceci est particulièrement important compte tenu de la perte potentielle d'espèces due au changement climatique mondial.
Réseaux d'interaction entre espèces Réseau avec un seul type d'interactions En biologie, les interactions par paires ont historiquement fait l'objet d'études intenses. Avec les récents progrès de la science des réseaux, il est devenu possible d'intensifier les interactions par paires pour inclure des individus de nombreuses espèces impliquées dans de nombreux ensembles d'interactions afin de comprendre la structure et la fonction de réseaux écologiques plus vastes. L'utilisation de l'analyse de réseau peut permettre à la fois de découvrir et de comprendre comment ces interactions complexes se lient ensemble au sein du réseau du système, une propriété qui a été précédemment négligée. Cet outil puissant permet d'étudier différents types d'interactions (de la compétition à la coopérative ) en utilisant le même cadre général. Par exemple, les interactions plantes- pollinisateurs sont mutuellement bénéfiques et impliquent souvent de nombreuses espèces différentes de pollinisateurs ainsi que de nombreuses espèces différentes de plantes. Ces interactions sont essentielles à la reproduction des plantes et donc à l'accumulation de ressources à la base de la chaîne alimentaire pour les consommateurs primaires, mais ces réseaux d'interaction sont menacés par les changements anthropiques. L'utilisation de l'analyse des réseaux peut éclairer le fonctionnement des réseaux de pollinisation et peut à son tour éclairer les efforts de conservation. Au sein des réseaux de pollinisation, l'imbrication (c'est-à-dire que les spécialistes interagissent avec un sous-ensemble d'espèces avec lesquelles les généralistes interagissent), la redondance (c'est-à-dire que la plupart des plantes sont pollinisées par de nombreux pollinisateurs) et la modularité jouent un rôle important dans la stabilité du réseau. Ces propriétés de réseau peuvent en fait ralentir la propagation des effets de perturbation à travers le système et potentiellement amortir quelque peu le réseau de pollinisation contre les changements anthropiques. Plus généralement, la structure des interactions des espèces au sein d'un réseau écologique peut nous renseigner sur la diversité, la richesse et la robustesse du réseau. Les chercheurs peuvent même comparer les constructions actuelles des réseaux d'interactions d'espèces avec les reconstructions historiques des réseaux anciens pour déterminer comment les réseaux ont changé au fil du temps. Les recherches récentes sur ces réseaux d'interactions d'espèces complexes sont très soucieuses de comprendre quels facteurs (par exemple, la diversité) conduisent à la stabilité du réseau.
Réseaux multi-interaction inter-espèces Un réseau multi-interactions est un modèle de réseau d’interactions écologiques, qui prend en compte plusieurs types d’interactions. Ce réseau d’interactions écologiques peut être considéré comme un emboîtement de plusieurs types de réseaux d’interactions comme les réseaux trophiques, les réseaux mutualistes et les réseaux hôtes-parasitoïdes. Il peut donc y avoir coexistence d’interactions antagonistes, négatives pour les deux partenaires, et mutualistes, bénéfiques pour les deux partenaires.
Les espèces d’une même communauté sont individuellement impliquées dans de multiples types d'interactions, mais généralement avec des partenaires différents .