Des recherches récentes remettent en question la division conventionnelle entre les molécules « pensantes » et « agissantes » au sein des cellules, montrant que les molécules structurelles « musculaires » peuvent également traiter l’information et prendre des décisions par nucléation. Cette découverte, mettant en évidence le double rôle de ces molécules, pourrait conduire à des processus cellulaires plus efficaces et aurait de vastes implications pour la compréhension du calcul dans les systèmes biologiques. Crédit : Olivier Wyatt, SIEGE, 2023 https://head quarter.paris/
Nous avons tendance à séparer le cerveau et les muscles – le cerveau réfléchit ; le muscle fait le travail. Le cerveau absorbe des informations complexes sur le monde et prend des décisions, tandis que les muscles se contentent d’exécuter. Cette distinction s’étend à notre compréhension des processus cellulaires, où certaines molécules à l’intérieur des cellules sont perçues comme des « penseurs », traitant les informations de l’environnement chimique pour déterminer les actions nécessaires à la survie, tandis que d’autres sont considérées comme des « muscles », construisant les structures essentielles. pour la survie de la cellule.
Mais une nouvelle étude montre comment les molécules qui construisent les structures, c’est-à-dire le muscle, peuvent elles-mêmes penser et agir. L’étude, réalisée par des scientifiques de l’Université de Maynooth, Université de Chicagoet le California Institute of Technology a été publié dans la revue Nature.
« Nous montrons qu’un processus moléculaire naturel – la nucléation – étudié depuis longtemps en tant que « muscle » peut effectuer des calculs complexes qui rivalisent avec un simple réseau neuronal », a déclaré Arvind Murugan, professeur agrégé à l’Université de Chicago, l’un des deux principaux chercheurs. co-auteurs de l’article. « C’est une capacité cachée à la vue de tous que l’évolution peut exploiter dans les cellules pour faire plus avec moins ; les molécules « agissantes » peuvent aussi faire « penser ».
Penser en utilisant la physique
Les cellules doivent reconnaître l’environnement dans lequel elles se trouvent et faire différentes choses pour survivre. Par exemple, certaines combinaisons de molécules peuvent indiquer une période de stress qui nécessite de se replier, tandis que d’autres combinaisons de molécules peuvent indiquer une période d’abondance. Mais la différence entre ces signaux moléculaires peut être subtile : différents environnements peuvent impliquer les mêmes molécules mais dans des proportions différentes.
Le Dr Constantine Evans, chercheur au Hamilton Institute de l’Université Maynooth et auteur principal de l’étude, a expliqué que c’est un peu comme entrer dans une maison et sentir des biscuits fraîchement sortis du four, plutôt que de sentir du caoutchouc brûlé. « Votre cerveau modifierait votre comportement en fonction de la détection de différentes combinaisons de produits chimiques odorants. Nous avons décidé de nous demander si la physique d’un système moléculaire pouvait faire de même, même s’il ne disposait d’aucun cerveau », a-t-il déclaré.
L’opinion traditionnelle était que les cellules pourraient être capables de détecter et de réagir de cette manière en utilisant des circuits moléculaires qui ressemblent conceptuellement aux circuits électroniques de votre ordinateur portable ; certaines molécules détectent, d’autres molécules prennent une décision sur ce qu’il faut faire, et enfin les molécules « musculaires » exécutent une action (par exemple, construire une structure).
L’idée alternative explorée ici est que toutes ces tâches – détection, prise de décision, réponse – peuvent être accomplies en une seule étape par la physique inhérente au « muscle » lui-même. La physique impliquée dans cette étude est celle des « transitions de phase » – pensez à un verre d’eau qui gèle lorsqu’il atteint 0 °C ; d’abord, un petit fragment de glace « nuclée » puis grandit jusqu’à ce que tout le verre d’eau soit gelé.
À première vue, ces premières étapes de l’acte de « geler » – la nucléation – ne ressemblent pas à une « réflexion ». Mais ces travaux montrent que l’acte de congélation peut « reconnaître » des combinaisons chimiques subtilement différentes – par exemple, l’odeur des biscuits à l’avoine et aux raisins par rapport aux pépites de chocolat – et construire différentes structures moléculaires en réponse.
Robustesse dans les expériences
Les auteurs ont testé la robustesse de la prise de décision basée sur la nucléation en utilisant ADN la nanotechnologie, un domaine que le professeur Erik Winfree a contribué à pionnier. « La théorie est générale et devrait s’appliquer à tout type de molécule. Mais l’ADN nous permet d’étudier expérimentalement la nucléation dans des mélanges complexes de milliers de types de molécules et de comprendre systématiquement l’impact du nombre de types de molécules et des types d’interactions qu’elles ont », a expliqué Erik.
L’expérience a révélé quelques surprises : la prise de décision basée sur les muscles était étonnamment robuste et évolutive. Des complications non modélisées en théorie, telles que le manque de molécules au cours de l’expérience, se sont avérées utiles plutôt que nuisibles. En conséquence, des expériences relativement simples ont résolu des problèmes de reconnaissance de formes impliquant environ un millier de types de molécules, soit près de 10 fois plus grandes que dans les approches précédentes basées sur des circuits. Dans chaque cas, les molécules se sont rassemblées pour construire différentes structures à l’échelle nanométrique en réponse à différents modèles chimiques – sauf que l’acte de construire la structure en lui-même a pris la décision sur ce qu’il fallait construire.
Ces travaux suggèrent une nouvelle vision du calcul qui n’implique pas la conception de circuits mais plutôt la conception de ce que les physiciens appellent un « diagramme de phases » ; Par exemple, pour l’eau, un diagramme de phases peut décrire les conditions de température et de pression dans lesquelles l’eau liquide va geler ou bouillir. Traditionnellement, les diagrammes de phases sont considérés comme décrivant les propriétés matérielles de type « muscle ». Mais ce travail montre que le diagramme de phases peut également coder la « pensée » en plus du « faire » lorsqu’il est étendu à des systèmes complexes avec de nombreux systèmes différents. types de composants.
« Les physiciens étudient traditionnellement des choses comme un verre d’eau qui contient de nombreuses molécules mais toutes sont identiques. Mais une cellule vivante est remplie de nombreux types de molécules qui interagissent les unes avec les autres de manière complexe. Cela se traduit par des capacités émergentes distinctes des systèmes multi-composants », a déclaré le Dr Jackson O’Brien, qui a participé à l’étude en tant qu’étudiant diplômé en physique de l’Université de Chicago. La théorie de ce travail a établi des analogies mathématiques entre de tels systèmes multi-composants et la théorie des réseaux neuronaux ; les expériences ont montré comment ces systèmes multi-composants pourraient apprendre les bonnes propriétés informatiques grâce à un processus physique, tout comme le cerveau apprend à associer différentes odeurs à différentes actions.
Alors que les expériences ici impliquaient des molécules d’ADN dans un tube à essai, les concepts sous-jacents – la nucléation dans des systèmes comportant de nombreux types de composants – s’appliquent largement à de nombreux autres systèmes moléculaires et physiques. Les auteurs espèrent que ces travaux stimuleront les travaux visant à découvrir les capacités de « pensée » cachées dans d’autres systèmes multi-composants qui semblent actuellement n’être que de simples « muscles ».
Le financement a été fourni par la National Science Foundation (États-Unis), la Fondation Evans pour la médecine moléculaire, le Conseil européen de la recherche, la Science Foundation Ireland, le Materials Research Science and Engineering Center de l’Université de Chicago, la Fondation Simons et le Carver Mead New Adventures Fund. .
