vignette|Biologie des systèmes La biologie des systèmes (ou biologie intégrative) est l'étude des interactions et du comportement des composants des entités biologiques, y compris les molécules, les cellules, les organes et les organismes.
C'est un domaine récent de la biologie qui étudie les organismes vivants comme les systèmes qu'ils sont en réalité, par opposition aux approches historiques qui tendent à décomposer l'étude à tous les niveaux, en biologie, physiologie, biochimie… La biologie systémique cherche à intégrer différents niveaux d'informations pour comprendre comment fonctionne réellement un système biologique. En étudiant les relations et les interactions entre différentes parties du système biologique (organites, cellules, systèmes physiologiques, réseaux de gènes et de protéines permettant la communication des cellules), le chercheur tente de former un modèle de fonctionnement de la totalité du système.
Introduction La biologie de systèmes est un domaine récent et interdisciplinaire qui étudie les interactions, au niveau moléculaire (protéine, gènes, métabolites…), qui existent au sein d’un système biologique. La biologie systémique utilise une approche holistique (contrairement à l’approche réductionniste). En effet elle se concentre sur l’étude de la totalité des constituants biologiques que ce soit les gènes, les protéines ou les composants cellulaires et métaboliques à l’aide de systèmes mathématiques et informatiques.
C’est un domaine de recherche qui utilise la modélisation mathématique en étroite interconnexion avec des approches expérimentales pour comprendre les mécanismes de systèmes biologiques complexes et prédire leur comportement à travers les échelles de la molécule à l'organisme.
Deux thèmes dominants de la biologie moderne sont enracinés dans cette nouvelle perspective: premièrement, l'idée que la biologie est fondamentalement une science informationnelle - les systèmes biologiques, les cellules et les organismes stockent et transfèrent des informations en tant que processus les plus fondamentaux - et deuxièmement, l'émergence de nouvelles technologies et approches pour étudier la complexité biologique. Définition « La biologie systémique a pour but de comprendre les interactions dynamiques entre composants d'un système vivant, et entre systèmes vivants en interaction avec l'environnement. La biologie systémique est une approche par laquelle des questions biologiques sont abordées en intégrant les expérimentations avec la modélisation, la simulation et la théorie dans des cycles itératifs. La modélisation n'est pas le but, mais un outil pour faire avancer la compréhension du système, développer des expérimentations plus ciblées et finalement aboutir à des prédictions. La biologie systémique est par nature intrinsèquement interdisciplinaire et a pour but commun avec les autres disciplines d'aboutir à une compréhension quantitative des processus biologiques dynamiques en se fondant sur des analyses mathématiques et statistiques pour intégrer les données biologiques et développer des modèles prédictifs du comportement biologique ».
Histoire Si la biologie des systèmes est un domaine théorisé à la fin du , plusieurs biologistes et chimistes ont travaillé dans ce sens dès la fin du (par exemple le biologiste et chimiste français Marcellin Berthelot qui privilégiait une approche systémique et synthétique de la biochimie).
La naissance ou émergence de la biologie de systèmes Au cours de la seconde moitié du , la biologie mathématique de systèmes existait en parallèle avec la Biologie moléculaire. Le terme biologie de systèmes a été introduit par Mihajlo Mesarovic en 1968 (Mesarovic, 1968, Mesarovic , 2004), mais il y a des opinions selon lesquelles le terme pourrait être introduit dans les années 1920 par Ludwig von Bertalanffy, le père de la théorie générale de systèmes (Drack, 2007). Cependant, Mesarovic a appliqué la théorie générale de systèmes afin de découvrir comment les entités biologiques sont liées, plutôt que de quoi elles sont composées (Mesarovic, 1968, Mesarovic , 2004). Avant les travaux pionniers de Mihajlo Mesarovic, la théorie générale de systèmes a été développée par Bertalanffy (Drack, 2009). Bertalanffy a développé ce qu'il a appelé une « system theory of life » contribuant au développement de la biologie théorique (Drack, 2009). Sa théorie était une tentative d'étudier scientifiquement l'organisme en tant que « wholeness ». Insatisfait de la doctrine vitaliste qui implique la métaphysique, Bertalanffy a trouvé la solution dans la modélisation mathématique de l'organisme biologique (Drack, 2009). La théorie générale des systèmes qu'il a développée s'est concentrée sur des sujets tels que les systèmes autorégulants, c'est-à-dire les systèmes auto-corrigés par rétroaction, les concepts largement utilisés en physiologie et en sciences de l'ingénieur. Depuis son introduction, la théorie générale des systèmes a réussi à modéliser les réseaux de réactions biochimiques, l'homéostasie, la fonction des systèmes neuronaux, immunitaires, cardio et endocriniens (Ederer , 2003). La théorie du GSS a trouvé sa place importante dans la neurobiologie des systèmes modernes dans le cadre de la recherche et de la modélisation des réseaux de neurones. L'application de la théorie générale des systèmes en biologie a été la première étape dans la formation de la biologie mathématique des systèmes. L'étape suivante a été le développement et l'application de la dynamique non linéaire.
Statut actuel Après une application réussie dans la recherche scientifique, la médecine et la biotechnologie, la biologie des systèmes a été complètement façonnée. Ainsi, la compréhension de l'origine des maladies neurodégénératives, cancéreuses, inflammatoires et génétiques n'est possible que par une approche holistique des systèmes biologiques. L'identification des différences entre les cellules cancéreuses et saines est difficile en raison de nombreuses molécules différentes provenant de voies de transduction de signaux parallèles (Hornberg , 2006). La quantification de la biologie des systèmes et la modélisation des circuits de régulation, la cinétique de réaction non linéaire des processus biochimiques et la diaphonie entre les voies déterminent le site sur lequel l'oncologue doit intervenir (Hornberg , 2006). De même, le mécanisme complexe de la maladie neurodégénérative ne pouvait être déchiffré que par l'approche de la biologie des systèmes (Noorbakhsh , 2009). Il y a certainement tellement d'exemples d'application réussie de la biologie des systèmes contemporaine qu'il n'y a pas assez d'espace pour tous les citer. The International Study Group for Systems Biology (ISGSB) Le Groupe d'étude international pour la biologie de systèmes est un collectif informel de chercheurs internationaux qui a pour objectif de faire progresser les sciences biologiques en explorant l'interaction entre la théorie et l'expérience. De 1989 à 2004, le collectif est passé sous le nom de International Study Group for BioThermoKinetics (ou BTK) et a organisé des ateliers tous les deux ans. En 2004, lors de sa réunion d'Oxford, le groupe a décidé que le terme émergent “Systems Biology” était une description plus précise et plus significative de ses préoccupations, et a donc changé son nom en International Study Group for BioThermoKinetics qui, lors de la réunion de Trakai en 2006, fut à nouveau changé pour le nom actuel, International Study Group for Systems Biology (ISGSB). Une préoccupation de longue date de l'ISGSB a été les approches théoriques pour comprendre le comportement des systèmes cellulaires, en particulier le transport, le métabolisme et la transduction du signalAnze Zupanic, Hans C Bernstein, Ines Heiland. Systems biology: current status and challenges. Cell Mol Life Sci. 2020 Feb;77(3):379-380.. Étapes de l’implémentation de la biologie de systèmes Pour comprendre l'interaction entre les différents composants biologiques, il est important de se familiariser avec ces 4 étapes : Définir et lister les composants biologiques qui participent à un mécanisme cellulaire. Formation de cartes à l'échelle du génome par étapes. Conversion des réseaux de gènes reconstruits en un modèle mathématique. Utilisation du modèle de manière prospective et prédictive..
Modélisation métabolique La biologie moléculaire des systèmes commence avec l'étude des gènes et des protéines d'un organisme, en utilisant la technique HTS (, criblage à haut débit) pour quantifier les changements dans le génome, le transcriptome, le protéome et le métabolome en réponse à une perturbation donnée. Cette technique consiste à effectuer de manière automatique des centaines de fois la même opération, en pharmacologie par exemple, pour trouver une molécule qui convient. L'analyse à haut débit du transcriptome s'effectue à l'aide de puces à ADN. Pour détecter les différentes protéines, on utilise par exemple la HTS avec la spectrométrie de masse. D'autres approches en biologie des systèmes ne privilégient pas le niveau moléculaire et cherchent au contraire à intégrer les niveaux d'organisation de manière plus large.
Modélisation dynamique de voies ciblées détaillées à l'aide des lois de taux cinétiques Elle permet de décrire les flux à l'état d'équilibre et la dynamique des concentrations de métabolites, les taux cinétiques ne sont souvent mesurés que pour un nombre limité de réactions, ces modèles ne couvrent généralement qu'une petite partie du métabolisme cellulaire. Ces approches sont également souvent utilisées pour décrire les voies de transduction du signal. La plupart des modèles dynamiques ont été construits pour les eucaryotes supérieurs, principalement les mammifères. Approches de modélisation à l'échelle du génome Elles permettent de décrire les réseaux métaboliques de cellules entières à l’aide de méthodes appelées « modélisation métabolique fondée sur les contraintes » basées sur l'hypothèse d'optimalité évolutive du métabolisme cellulaire. Principalement utilisé pour analyser les systèmes microbiens. Approches de modélisation hybrides Elles permettent de se mettre à l'échelle des modèles dynamiques, et donc la simplification des modèles à l'échelle du génomeAlessandro Villa, Stephen T. Sonis. 2 - System biology. Translational Systems Medicine and Oral Disease. 2020, Pages 9-16. Représentation sous forme de réseaux biologique (Network) Réseaux et biologie cellulaire La biologie de systèmes vise à reconnaître comment les informations sont reçues, transmises, et interprétées par les cellules à travers de nouvelles méthodes innovantes. Les cellules sont constituées d’une variété de composants moléculaires qui interagissent pour former des réseaux. Chaque réseau est composé de plusieurs nœuds et de liens qui relient les nœuds pour former un système dynamique.
Les cellules utilisent la signalisation et les voies de régulation générant une grande quantité de données qui sont assemblées dans des heatmaps, des diagrammes et des réseaux. Selon la fonction, il existe trois réseaux principaux: Réseaux de signalisation Impliquant les réactions biochimiques et protéiques. Réseaux métaboliques Impliquant les gènes et les enzymes impliqués dans les métabolismes cellulaires. Réseaux de régulation Les principaux acteurs de ces réseaux sont les protéines de liaison à l'ADN ainsi que l’ARN, qui contrôlent l'étape initiale de l'expression génique. Application de la biologie de systèmes Les données Omic