La modélisation du processus d’alimentation d’un petit ver met en lumière la complexité des organismes biologiques

La gorge de l’ascaris Caenorhabditis elegans peut sembler un endroit étrange pour explorer la complexité des mécanismes de la vie, jusqu’à ce que l’on réalise combien d’informations ont été collectées sur ces minuscules nématodes au cours des dernières décennies.

Cette richesse de données est l’une des principales raisons pour lesquelles le ver a été choisi comme objet d’une nouvelle étude de l’Institut Weizmann des Sciences qui montre la puissance des modèles mathématiques et algorithmiques pour permettre une compréhension fine et à haute résolution des systèmes biologiques.

Dans l’étude, le Dr Dana Sherman et le professeur David Harel du département d’informatique et de mathématiques appliquées de Weizmann ont construit un modèle mathématique du comportement de l’organe d’alimentation du nématode, le pharynx, afin de simuler et d’analyser en détail la manière dont ses mouvements de déglutition sont générés.

Au-delà d’apporter un nouvel éclairage sur la dynamique de ce processus, l’étude démontre comment les simulations informatiques peuvent, en quelques minutes, aider à mener des expériences biologiques qui auraient pris des années en laboratoire, si elles étaient réalisables. La recherche est publié dans le Actes de l’Académie nationale des sciences.

Une superstar modèle

Avec un corps transparent et environ 1 000 cellules seulement, C. elegans est une superstar scientifique qui a facilité des découvertes révolutionnaires en biologie, dont plusieurs ont conduit à des prix Nobel. Son génome a été le premier à être entièrement séquencé parmi les organismes multicellulaires, permettant des études génétiques détaillées, et son physique est idéal pour l’observation en temps réel des processus biologiques.

Les scientifiques ont également cartographié l’intégralité de son schéma de câblage neuronal et de sa lignée cellulaire. Pour couronner le tout, C. elegans partage de nombreuses voies biologiques avec l’homme, ce qui en fait un excellent modèle pour comprendre des processus fondamentaux tels que le vieillissement, la neurobiologie et la différenciation cellulaire.

Le pharynx du ver, un organe musculaire composé de plusieurs dizaines de cellules, effectue des mouvements de pompage qui entraînent l’absorption de particules alimentaires provenant de l’environnement. Dans la nouvelle étude, Sherman et Harel ont eu recours aux mathématiques classiques pour construire un modèle de pompage, en utilisant une approche ascendante, c’est-à-dire en partant des composants de base pour reconstruire un système plus vaste.

Ces composants et paramètres comprenaient des données sur, entre autres, différents types de cellules musculaires de la gorge, les neurones qui envoient des signaux aux muscles, la propagation de ces signaux et les concentrations de différents ions dans les cellules musculaires. Le modèle comprenait également une description du flux de fluides et de particules de nourriture dans la gorge du ver.

On pourrait cependant se demander : pourquoi construire un modèle de quelque chose qui a déjà été construit par la nature ?

« Les informaticiens sont habitués à construire des modèles qui nous préparent à la construction de choses réelles, par exemple des avions ou des stimulateurs cardiaques », explique Harel. « En revanche, notre modèle vise à expliquer le comportement d’un système biologique complexe existant.

« Si vous parvenez à construire un modèle dont le comportement correspond à tout ce qui est connu sur le système, vous pouvez ensuite exécuter ce modèle dans différentes conditions, en observant potentiellement des phénomènes inconnus. Cela ouvre la voie à des expériences en laboratoire, qui peuvent ensuite corroborer ou réfuter les prédictions du modèle. « .

Harel explique en outre que lorsqu’un système biologique est modélisé, les manipulations simulées de ses gènes ou de ses cellules doivent produire des résultats qui correspondent à ce que l’on sait déjà de ce système dans la vie réelle. Ou, comme il le dit : « Si vous essayez de modéliser le développement d’un pancréas, vous ne devriez pas vous retrouver avec quelque chose qui ressemble à un petit doigt. »

Pomper le système

Fruit de six années de recherche, le nouveau modèle de l’Institut Weizmann comprend une description complète des mécanismes qui génèrent le mouvement dans différentes zones du pharynx du ver, permettant de réaliser des analyses quantitatives du pharynx dans son ensemble, ainsi que de ses différentes composantes. En conséquence, le modèle fournit une explication détaillée du fonctionnement du pharynx, ce qui n’avait pas été correctement tenté auparavant.

Par exemple, on savait que les contractions et les relaxations qui composent les mouvements de pompage du pharynx ne sont pas parfaitement synchronisées : les contractions commencent à différents moments dans différentes parties de la gorge, se propageant dans ces parties à des vitesses différentes.

Cependant, on savait également que les signaux neuronaux qui déclenchent les contractions pharyngées se propagent très rapidement, presque simultanément dans tout l’organe. Si les contractions suivaient étroitement ces signaux neuronaux, elles auraient dû se produire de manière presque synchronisée. Le modèle a pu suggérer un mécanisme pour expliquer ces dynamiques apparemment contradictoires.

De plus, le modèle a fourni une évaluation quantitative auparavant indisponible de nombreux paramètres et a expliqué avec une résolution fine l’interaction entre les différents muscles, à la fois au sein de chaque zone de la gorge et entre différentes zones. D’autres analyses suggèrent que les cellules situées en bordure de la gorge jouent un rôle dans sa fonction et pas seulement dans sa structure, comme on le suppose actuellement.

En outre, le modèle prédit que chez de minuscules organismes tels que C. elegans, la génération d’un signal électrique de longue durée, tel que celui généré dans les muscles pharyngés, doit impliquer des ions autres que le calcium.

Enfin, les scientifiques ont utilisé leur modèle pour mener des expériences au moyen de simulations informatiques, dites « in silico », une allusion aux expériences in vitro et in vivo courantes en biologie. Les chercheurs ont utilisé de telles simulations pour tester, par exemple, comment des changements dans la taille ou la forme géométrique de la gorge affecteraient le flux de particules lors de la déglutition.

Outre leur exécution quasi instantanée, ces expériences in silico démontrent un autre avantage des modèles mathématiques : ils permettent des manipulations arbitraires, même celles qui sont irréalisables en laboratoire.

Les prédictions faites par le modèle pourraient indiquer des orientations futures prometteuses pour la recherche sur la biologie de C. elegans, mais le petit ver pourrait également continuer à éclairer le fonctionnement complexe de la vie dans un sens plus large, en aidant à révéler comment des organes entiers fonctionnent dans d’autres organismes.

Comme l’écrivent les chercheurs dans leur rapport, ils espèrent que leur approche mathématique « permettra aux non-spécialistes d’utiliser ce type de modélisation pour étudier d’autres systèmes biologiques ».