Vous pouvez apprendre beaucoup d'un peu de moisissure en boue. Pour Nate CIRA, professeur adjoint de génie biomédical en génie de Cornell, le minuscule organisme eucaryote a inspiré la modélisation des «réseaux itinérants» – des systèmes connectés qui se déplacent en réorganisant leur structure.
La compréhension de ces réseaux pourrait aider à expliquer les structures et les mouvements de certains systèmes biologiques et organisations humaines, des unités protéiques qui se rassemblent aux sociétés élargissant leurs gammes de produits.
Les résultats ont été publiés le 26 février Communications de la nature.
Tout a commencé avec un jeu.
En tant qu'étudiant diplômé, la CIRA a suivi un cours avec le professeur Ingmar H. Riedel-Kruse à l'Université de Stanford dans laquelle les étudiants ont joué aux «jeux biotiques» avec des organismes simples comme moyen d'explorer leurs processus biologiques.
Le jeu en question a mis un organisme de moisissure en boue dans une « arène » d'agar. Les étudiants ont ensuite guidé les mouvements du moule en déposant des aliments, sous forme de gouttelettes de flocons d'avoine, via un système robotique. Le CIRA a noté que le moule se déplaçait de manière curieuse, comme un arbre qui rampe en étendant certaines de ses branches tout en rétractant simultanément d'autres.
Longtemps après la fin du cours, CIRA, avec Riedel-Kruse, maintenant à l'Université de l'Arizona, et un groupe de collaborateurs ont continué à jouer avec le mouvement curieux de l'organisme. Ensemble, ils ont construit un modèle de jouet de l'organisme pour comprendre comment il a fonctionné, et ils ont inventé un terme pour le décrire: un réseau itinérant.
Alors que de nombreux types de réseaux ont été étudiés et expliqués en détail – des réseaux neuronaux et sociaux aux nanostructures photoniques – CIRA a été surpris de trouver un manque de travail sur les systèmes qui se déplacent dans l'espace en réorganisant leurs structures.
Il ne savait pas que l'étude de chaque facette et caractéristique du modèle deviendrait « une sorte de projet passionné de longue date, l'une de ces choses que j'ai continué à rebondir sur le côté, découvrant des idées et des choses fraîches et intéressantes à explorer », a déclaré CIRA, dont le principal domaine d'étude est la microfluidique. « C'est presque plus un passe-temps que de travailler d'une manière ou d'une autre. Mais cela s'est transformé en quelque chose d'assez beau à la fin. »
Le modèle est essentiellement un graphique des bords et des nœuds. Tout nœud peut avoir au plus trois bords, ce qui lui donne une forme en forme d'arbre. La structure peut être manipulée pour se déplacer par quelques actions simples: la feuille, c'est-à-dire la pointe d'une branche, peut grandir; Il peut se séparer pour générer deux nouveaux arêtes; ou il peut se rétracter jusqu'à ce qu'il disparaisse.
« C'est en fait un modèle très simple », a déclaré Cira. « Cela n'implique que quelques actions de base, et en raison de ces réarrangements dynamiques, il se déplace dans une nouvelle zone, tout comme l'organisme. »
Le modèle en mouvement ressemble aux économiseurs d'écran rudimentaires d'antan, mais il n'y a rien de simple à expliquer une structure qui se réorganise constamment lorsqu'elle se déplace. La CIRA a attribué la patience de ses collaborateurs pour un traitement exhaustif du sujet – le travail qui s'est étendu pendant environ une décennie.
Afin de caractériser le comportement du réseau itinérant, l'équipe a dérivé des relations mathématiques et visualisé les comportements du réseau par la simulation. La capacité du réseau à s'auto-organiser au point que la croissance et la désintégration lui a également permis de répondre à de petits changements dans son environnement, ce que les chercheurs ont démontré en introduisant la farine d'avoine numérique pour que le modèle se gêne comme Pac-Man.
« Nous avons essayé de dériver autant que possible, mathématiquement, pourquoi cela a-t-il l'apparence fractale d'un arbre? Combien pouvons-nous dire sur les caractéristiques du mouvement? Et qu'est-ce que cela signifie pour des systèmes comme celui-ci? » a déclaré Cira, qui s'est inspiré d'une gamme de disciplines de physique, comme l'étude des polymères et des tremblements de terre, pour clarifier les mécanismes à l'œuvre.
Parmi les systèmes qui correspondent aux critères des réseaux itinérants, les chercheurs ont identifié des candidats très différents: le cytosquelette d'actine – un réseau d'unités de protéines monomères qui démontent et réassemblent, créant une structure de type branche qui entraîne le mouvement des cellules et, sur un Plus de niveau conceptuel, la Nokia Corporation.
« Les gens parlent souvent des entreprises qui se ramifient sur de nouveaux marchés ou de la réduction d'une gamme de produits », a déclaré Cira. « Nokia a commencé sur du papier et s'est ramifié sur les marchés du caoutchouc, puis a fait des fils électriques enduits de caoutchouc. «
À un moment donné, les chercheurs se sont demandé si le concept pouvait également être appliqué à l'art. Alors que la perspective d'avoir une théorie scientifique qui explique le développement de Picasso ou la réinvention chronique de David Bowie est certainement attrayante, la CIRA a constaté que ce type de progression de plus en plus difficile à quantifier. Mais avec des systèmes moins ineffables, tels que le flux de gènes entre les populations de croisement ou la communication entre les robots grouillants, le modèle de réseau de voyage pourrait être un cadre utile pour les scientifiques et un tremplin pour une modélisation plus compliquée.
« Que cela signifie ou non qu'ils vont utiliser l'un des mathématiques que nous avons passé autant de temps à dériver, il reste à voir », a déclaré Cira. « Et il reste à déterminer si ce modèle spécifique est directement applicable à n'importe quel système, mais si notre travail est une indication, l'étude des systèmes dynamiques connectés qui voyagent dans l'espace promet d'être pleins de riches idées. »
Les co-auteurs comprennent des chercheurs de Stanford, de l'Université Harvard, de l'Université de Nouvelle-Galles du Sud et de l'Université de Californie, Berkeley.
