Dans cet article de blog, nous explorerons comment l'interaction entre les canaux protéiques et les cellules musculaires explique la complexité des phénomènes de la vie.
La biologie moléculaire traditionnelle a évolué vers une approche réductionniste, où les composants sont décomposés un par un pour déterminer leurs fonctions individuelles. Si cette approche a grandement contribué à notre compréhension du fonctionnement des gènes, des protéines et d'autres composés cellulaires, les organismes ne sont pas de simples assemblages de composants. Composés de nombreux gènes, protéines et composés en constante interaction dans des réactions complexes, les organismes ne sont pas pour autant une approche réductionniste suffisante pour appréhender la vie dans son intégralité. S'il est important d'identifier la fonction d'un élément isolé, il est difficile de saisir la véritable nature des phénomènes vivants sans comprendre leur fonctionnement intégré au sein du système global.
La biologie systémique est apparue comme une approche alternative à ce problème. La biologie des systèmes a gagné du terrain ces dernières années en raison de l’accumulation massive de données biologiques sur presque tous les organismes, des bactéries aux humains. L’explosion des données a ouvert de nouvelles voies pour interpréter et prédire des interactions complexes qui étaient auparavant impossibles. Il est désormais important de regarder au-delà de la fonction des composants individuels et d’explorer comment ils sont organisés pour fonctionner comme un système.
Les biologistes des systèmes cherchent à expliquer la grande complexité des phénomènes vitaux en utilisant les données biologiques accumulées pour identifier les composants impliqués dans un phénomène vital particulier et analyser comment ils interagissent les uns avec les autres et avec les systèmes qui les englobent. Ils soulignent que la vie n’est pas une simple machine, mais un réseau complexe. Comprendre comment de petits changements au sein d’un système affectent l’ensemble du système est essentiel pour une compréhension plus approfondie des phénomènes de la vie.
Une façon d'y parvenir est d'utiliser des ordinateurs pour créer des programmes fonctionnant selon les mêmes principes que les êtres vivants, puis d'analyser leurs mécanismes. Ces techniques de simulation et de modélisation peuvent servir non seulement à expliquer les phénomènes de la vie, mais aussi à prédire les phénomènes futurs et à développer de nouvelles thérapies ou de nouveaux médicaments.
Dennis Noble, le créateur du cœur virtuel, a utilisé cette méthode pour expliquer les effets de rétroaction des cellules musculaires cardiaques sur les battements cardiaques. Jusqu'à présent, les battements cardiaques étaient expliqués par le flux d'ions à travers les canaux protéiques des cellules, ce qui provoque des variations de tension dans les cellules musculaires cardiaques. Il s'agit d'un exemple classique de l'approche réductionniste traditionnelle, qui tente d'expliquer des phénomènes complexes par une chaîne causale unique.
Dennis Noble, cependant, pensait que le rythme cardiaque n'est pas le résultat d'une telle relation de cause à effet, mais plutôt le résultat d'une interaction entre des composants appelés canaux protéiques et leur superstructure, les cellules musculaires. Il a souligné que cette interaction n’est pas seulement un processus physique, mais un processus complexe qui implique un flux d’informations et de réactions, et que cette interaction est la principale force motrice qui fait battre le cœur. Pour démontrer cela, ils ont créé un modèle informatique d’un cœur vivant, puis ont mené des expériences dans lesquelles ils ont laissé toutes les autres conditions inchangées et lui ont fait exécuter uniquement celles liées à l’effet de rétroaction. Au cours du processus, ils ont examiné les changements dans la tension des cellules musculaires et les changements dans les canaux protéiques – canaux potassiques, canaux calciques et canaux ioniques mixtes.
Premièrement, au cours de la première seconde, il y a eu quatre oscillations de la tension cellulaire et des oscillations correspondantes des canaux protéiques. Après les quatre oscillations, la tension cellulaire est maintenue constante pour arrêter le retour de la tension cellulaire vers les canaux protéiques. Si l’une des oscillations du canal protéique pouvait produire une oscillation de la tension cellulaire, le canal protéique poursuivrait son oscillation d’origine, entraînant une oscillation de la tension cellulaire. Cependant, au cours de l’expérience, les oscillations des canaux protéiques se sont arrêtées et les lignes indiquant les niveaux d’activité dans chaque cas se sont aplaties. Ces résultats démontrent que le rythme cardiaque ne peut pas être expliqué par le seul fonctionnement des canaux protéiques et que la rétroaction des cellules musculaires du cœur vers les canaux protéiques est essentielle pour générer le rythme cardiaque.
Ces expériences montrent que les phénomènes de la vie ne se produisent pas seulement dans une direction causale ascendante, depuis les gènes ou les protéines jusqu'aux organites ou aux cellules, mais que la direction causale opposée vers le bas est également importante pour les phénomènes de la vie. S'appuyant sur ces expériences, Dennis Noble a soutenu qu'il était nécessaire de s'éloigner d'une approche réductionniste centrée sur les gènes et d'adopter une vision holistique et intégratrice des différents phénomènes de la vie au sein d'un organisme. Il s’agit là de plus qu’un simple argument académique ; elle a des implications importantes qui nécessitent un changement de paradigme dans la recherche en sciences de la vie.
Après tout, la biologie des systèmes cherche à expliquer les phénomènes de la vie à travers une approche plus holistique et intégrative, basée sur le fait que tous les composants qui composent la vie interagissent de manière complexe. Il fournit une orientation pour la recherche future en sciences de la vie et jouera un rôle important dans l’approfondissement de notre compréhension de divers phénomènes vitaux.
