Actualités scientifiques

Des prédateurs moléculaires

 

Les chercheurs du LIMMS (CNRS/Université de Tokyo) ont réussi à montrer comment on fabrique, dans des systèmes artificiels non vivants, les mécanismes qui fournissent la base de la dynamique des écosystèmes. En partant de réactions simples pour créer de manière entièrement artificielle un système prédateur-proie dans un tube à essai, les chercheurs ont mis en lumière la profonde homologie qui lie de  manière continue les systèmes moléculaires, les réseaux cellulaires et les écosystèmes. Ce travail publié dans ACS nano(1)(voir aussi l’article de perspective (2)) souligne les liens qui existent entre les mondes biologiques et chimiques et permet de mieux comprendre les racines microscopiques des phénomènes du vivant.

Il y a tout juste 100 ans, Alfred Lotka, suivi par Vito Volterra, mettait pour la première fois en équations les interactions entre populations animales. Dans ces formules mathématiques, ils découvraient alors que le couple formé par un prédateur et sa proie n’est, le plus souvent, pas dans un état stable des populations. Au contraire, les populations oscillent de façon régulière. Ces prédictions théoriques ont été confirmées par l’observation des dynamiques de populations animales. Comme le mécanisme mis en jeu était très général, Lotka suggérait aussi qu’il puisse permettre des oscillations dans les systèmes purement moléculaires, c’est à dire non vivants, composés uniquement de réactions chimiques. Toutefois, cette prédiction n’avait jamais pu être confirmée par une observation expérimentale : la prédation serait elle une caractéristique unique, propre aux systèmes vivants ? En faisant réagir entre eux des petits brins d’ADN artificiels, les chercheurs ont montré qu’au contraire il est possible de reproduire, in vitro, les caractéristiques et la dynamique du système prédateur-proie, en particulier les oscillations des populations, dans un système composé uniquement de réactions chimiques.

Depuis quelques années, des techniques de « programmation moléculaire »  permettent de combiner des réactions chimiques en réseau pour obtenir des fonctions nouvelles et surprenantes : ordinateurs moléculaires, systèmes in vitro permettant de jouer à « Qui suis-je ? »(3), ou encore mémoires en tubes(4). Ces approches sont généralement basées sur l’utilisation de brins d’ADN, la même molécule que celle qui encode l’information génétique des organismes vivants. Cependant il s’agit cette fois d’ADN très courts, synthétiques, et fabriqués chimiquement. En se basant sur les règles d’appariement de Watson-Crick (A va avec T, C avec G) on peut facilement prédire, contrôler et organiser les interactions entre les différents composés (les différents brins d’ADN) présents dans la solution, ce qui serait beaucoup plus difficile à faire, voire impossible en utilisant les petites molécules de la chimie « classique ». C’est l’utilisation de l’ADN, un polymère possédant un haut contenu informationnel (codé dans sa séquence), mais en même temps obéissant à des règles physico-chimiques simples, qui ouvre la possibilité de combiner les réactions à façon.

Des réactions entre brins d’ADN dans un tube à essai recréent le schéma prédateur-proie et produisent des dynamiques complexes

 

Ces approches de « programmation moléculaire » peuvent aussi être utilisées pour explorer des questions proches de la biologie. Les concepts de réseaux et de dynamique des systèmes moléculaires en particulier sont au cœur de la l’étude des circuits cellulaires et, depuis longtemps déjà, des modèles chimiques permettent de mieux appréhender ces phénomènes.Les mêmes principes dynamiques contrôlent la dynamique  des écosystèmes.  Pourrait-on alors fabriquer des systèmes purement moléculaires qui se comportent comme des écosystèmes et produisent les mêmes dynamiques ? C’est cette idée surprenante qui est démontrée dans ce travail.

Le réseau prédateur-proie est l’exemple type de l’écologie théorique. C’est l’une des structures de population les plus basique qu’on puisse envisager avec seulement un type de proie et seulement un type de prédateur. Ce système simple possède pourtant un comportement surprenant et non trivial. En effet, dans un grand nombre de cas, il ne conduit pas à un état stable des populations. Au contraire, on s ‘aperçoit qu’elles oscillent fortement et continument. On peut le comprendre ainsi : au départ, il y a peu de prédateurs et donc la population de proies croit rapidement. Devant cette abondance de proies, la population de prédateurs commence elle aussi à augmenter très rapidement. Les prédateurs consomment toutes les proies disponibles, la famine s’installe et leur taux de reproduction diminue. Leur espérance de vie étant limitée, la population de prédateurs commence aussi à diminuer. A un certain moment elle devient assez basse pour que les quelques proies restantes puissent recommencer à se multiplier sans être sur-chassées. On part alors pour un nouveau cycle.

Peut-on traduire ce mécanisme, un classique de l’étude des écosystèmes (voir par exemple les fameuses oscillations des populations de lièvres et de lynx au Canada), sous la forme d’un système expérimental entièrement chimique ? Les chercheurs viennent de construire le premier système de type prédateur-proie qui ne fasse pas intervenir d’espèces vivantes mais qui reproduit pourtant précisément le mécanisme détaillé ci-dessus : la « proie » moléculaire, est capable de se répliquer et donc sa concentration croit spontanément. Si le « prédateur » chimique peut aussi se répliquer, il a néanmoins besoin de consommer une proie. Ces deux espèces ont un temps de vie fini car une enzyme les détruit au fur et à mesure. Toutes ces réactions sont relativement simples et produisent, prises une à une, des comportement classiques. Pourtant lorsqu’elles sont combinées, l’ensemble se met spontanément à osciller !

Grâce à des outils de fluorescence maison (5) les scientifiques sont également capables de suivre l’évolution des deux populations en temps réel, ce qui leur permet de caractériser complètement le système. La proie  et le prédateur moléculaires correspondent à deux séquences d’ADN choisies avec soin pour permettre les réactions précédentes. Dans les conditions de l’expérience, ces deux brins ne sont pas stables. Comme dans le cas des populations animales avec des durées de vie finies, ils sont en permanence détruits, pendant que de nouveaux brins sont constamment produits. Par conséquent le système consomme constamment de l’énergie. Ce flux d’énergie à travers le système le maintient hors-équilibre, et est essentiel pour l’émergence de phénomènes complexes comme les oscillations. Les chercheurs ont aussi reproduit d’autres phénomènes importants en écologie comme la symbiose ou la compétition, dans le modèle chimique. Ils observent alors que ces mécanismes peuvent faire basculer le système dans un état apparemment chaotique.

Si la synthèse chimique s’intéresse traditionnellement à la fabrication de composés ayant des propriétés précises, ce travail montre que les mêmes techniques et outils peuvent être utilisés pour fabriquer rationnellement des dynamiques précises, ici, par exemple un oscillateur périodique. Ce type d’horloge moléculaire (6) robuste peut être utilisé pour des applications technologiques : fournir un signal périodique permettant de synchroniser ou d’organiser des opérations chimiques complexes, telle que celles nécessaires dans un ordinateur moléculaire, ou encore fabriquer des structures élaborées. En fait, c’est déjà ce qui se passe dans les systèmes biologiques.

 

Contact

rondelez@iis.u-tokyo.ac.jp

 

Site web

http://limmshp.iis.u-tokyo.ac.jp/