Création d'un réseau de biologie des systèmes à Sorbonne-Universités

Création d’un réseau de
 biologie des systèmes
à Sorbonne–Universités

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Qu’est ce que la
biologie des systèmes ?

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Constat : entités biologiques sont des systèmes
• Génomes, cellules, organes, individus, populations etc. sont des systèmes :
➔   constituants + interactions

• Constituants : nombreux et hétérogènes (espèces moléc., cellules, p.ex.)
• Interactions nombreuses, complexes :
➔   horizontales en réseaux (gènes, signalisation, métaboliques, neuronaux, trophiques etc.)

➔   verticales hiérarchiques multi-échelles (du moléculaire à l’environnement)

➔   non-linéaires (non–proportionnelles, non–monotones, etc.)

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Postulat : fonctionnement du vivant
             repose sur l’organisation en systèmes

• Corpus large de connaissance sur les comportements des systèmes, des réseaux
➔   Multi–disciplinaire : biologies + formelles (phys., chim., math., info., complexité, etc.)

➔   Trans–disciplinaire (au sein de la biologie)

• Systèmes ont des comportements complexes, collectifs, émergents

• Ces comportement riches, dynamiques
➔   déterminent l’organisation du vivant (viabilité, réactivité, adaptabilité, faiblesses…)

➔   Viabilité, réactivité, adaptabilité, contrôle, régulation, robustesse, faiblesses…

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Comportements complexes des systèmes non–linéaires

 • Au delà des régulations homéostatiques (interactions négatives ➔ stabilité) …
 • Apprentissage, mémoire, différentiation, destin cellulaire, etc. :
    Interactions négatives & positives non–linéaires ➔ multi–stabilité

                              Lisman, 1985             Kholodenko 2000

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Comportements complexes des systèmes non–linéaires II

 • Cycle cellulaire, cycles circadiens, hormonaux, de l’activité neuronale etc. :
    interactions négatives fortes ➔ cycles limites

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                                                                                Williams 2015

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Comportements collectifs des systèmes en réseau

• Structures et/ou dynamique spatiotemporelles complexes
➔   Propriétés temporelles globales ((dé)synchronisation, réponse temporelle, etc.)

➔   Propriétés spatiales globales (patterns, fonctionnement en modules, etc.)

• … dérivent des interactions locales (« auto–organisation »)

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Propriétés émergentes des systèmes multi-échelles

• Propriétés émergentes aux échelles supérieures d’organisation
➔   déterminées par interactions aux échelles inférieures (« émergence »)

• Propriétés globales influent sur les propriétés locales (« immergence")

                                             Asthme
                                       (Lauzon et al., 2012)

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Propriétés émergentes des systèmes multi-échelles

• Propriétés émergentes aux échelles supérieures d’organisation
➔   déterminées par interactions aux échelles inférieures (« émergence »)

• Propriétés globales influent sur les propriétés locales (« immergence")

                                          Activité cérébrale
                                  (Izhikevitch et Edelman et al., 2008)

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Donner du sens aux données
• Ensembles larges de constituants (méthodes haut–débit) : dépassent capacités d’analyse
• Nature de interactions entre constituants (bioch., biophys., physiologie, etc.)
• Dynamique : comportements au cours du temps
• Contextuelle :   état/dynamique en réponse à des conditions ou perturbations

• Paramétrique : gammes d’observation (contraindre les modèles)

      Quantité de données              Conditions                       Dynamique

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Ce que serait
                                                                       physiologie / pathologie
                                                                       génomique fonctionnelle
           biochimie
                                                                       modèles mathématiques
          biophysique
      biologie moléculaire           la biologie des systèmes           systèmes dynamiques
                                                                               SBML
                                                                        sciences du complexe

                                 Constituants
                                    locaux
                                  (présence,
                                 concentration,
                                     état)

   physique
                                                                  Environnement
    chimie                   Interactions         Comportements
                                                                   (écologique,
   modèles                      locales              globaux
                                                                    monde réel,
mathématiques                 (causales)            (fonctions)
                                                                      causal)
 & statistiques

                                  Structures
                                   (réseaux,
                                  hiérarchies)

      anatomie / histologie
        bioinformatique                                                        sciences
         BDD omiques                                                      environnementales
     annotation de génome                            Emergence
          data mining
                                                     Immergence

Ce que n’est pas la biologie des systèmes

• S’oppose au
➔   réductionnisme (maladie X = gène Y) : manque réseau, échelles intermédiaires, dynamique

• N’est pas réductible à/aux
➔   Omiques : descriptions structurales, manque souvent interactions, dynamique

➔   Bioinformatique : négligent souvent interactions, dynamique entre constituants

➔   Approches formelles pures : oublient spécificités locales et architecturales du vivant

• N’appartient …
➔   A aucune discipline biologique : elle est clairement transdisciplinaire

➔   Ni aux expérimentateurs, ni aux modélisateurs

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Enjeux en recherche fondamentale

• Comprendre la logique du vivant sous l’angle systémique
➔   Processus fonctionnels

➔   Dynamiques, complexes, en réseau

➔   Causalité distribuée, circulaire

• Observer, analyser ces processus expérimentalement
➔   Données structurales les + complètes

➔   Données dynamiques (évolution temporelle, conditions)

• Reproduire, prédire ces processus par la modélisation
➔   Approches formelles dynamiques

➔   adressant spécificité des interactions biologiques

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Enjeux en recherche appliquée

➔   Problématiques environnementales, médicales multifactorielles

➔   Biologie de synthèse, questions éthiques

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Enjeu culturel
• Eviter la caricature du « biologiquement–centré » :
➔   attaché à l’expérimental pur (à la méthodologie plus qu’à l’objet d’étude)

➔   peu sensible par construction culturelle au formel, aux régularités

➔   souffrant d’un possible complexe et s’en défendant

• Eviter la caricature du « mathématiquement–centré » :
➔   attaché à la démarche formelle pure (à la méthodologie plus qu’à l’objet d’étude)

➔   réponses sophistiquées / questions biologiques peu pertinentes

➔   souffrant possiblement du complexe opposé et ne s’en défendant pas

• Adopter une voie du milieu :
➔   du caractère singulier solutions ad–hoc adoptées par le vivant à travers l’évolution

➔   des régularités du vivant explicables, prédictibles / approches formelles

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Contexte international

➔   > 50 instituts de biologie des systèmes dans le monde

➔   ~ 25 instituts de biologie des systèmes en Europe

➔   Programmes importants (FORSYS en All. p.e.x)

➔   Investissements massifs : 10–100 M€

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Contexte national : représentation

• Bon niveau de représentation

• Publications 4e rang mondial

• Conférences

• Concours iGEM (1er en 2013, International Genetically Engineered Machine competition)

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Contexte national : structures

➔   Quelques d’instituts dédiés à la biologie des systèmes et de synthèse

➔   iSSB (Evry) : biologie des systèmes et de synthèse

➔   LISPB (Toulouse) : biologie des systèmes, de synthèse et des procédés

➔   IMSV (Institut de Modélisation des Systèmes Vivants) institut sans mur (Lidex)

➔   Equipe Systems Biology de l’Institut Pasteur

➔   Structures engagées partiellement ou dans domaines connexes, microbiologie

(Micalis et MaIAGE), génomique fonctionnelle (IGFL Lyon), biologie végétale (IJPB, Le

Moulon), biologie animale (GABI), …

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Contexte national : initiatives

➔   APP : biologie des systèmes Plan Cancer 2014–2019 de l’INSERM

➔   GDR BioSynSys biologie de Synthèse et des Systèmes à l’échelle nationale

(structuration en réseau, préparation de programmes de recherche, accès aux

plateformes technologiques, formation des étudiants, docs et post-docs, aide aux AAP

européens et mondiaux, relations académiques / industriels).

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Constitution d’un réseau BS à SU

• Initiation : Frédérique Péronnet
• Groupe de travail : Philippe Cardot, Patrick Cormier, Bruno Delord, Gilles Fischer, Philippe
Lopez, Frédérique Peronnet, Hervé Rybarczyk, Benoît Sarels, Adrien Six

• Depuis juillet 2015 : réflexion sur la manière de structurer la biologie des systèmes à SU

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Objectifs du réseau

• Stimuler les collaboration entre expérimentateurs et modélisateurs
• Animer et financer des initiatives en recherche et en enseignement
• Organisation de symposiums
• Financement de bourses de Master, doctorales, post-docs
• Soutien à des actions exploratoires (initiation de collaborations)
• Soutien à la mobilité dans le cadre de coopération existantes entre équipes

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Appel à participation

• Appel sur SU distribué (UFRs UPMC, Sorbonne, Muséum, UTC, …) fin octobre 2015
• Critères : toute forme d’activité
➔   1) portant sur une problématique biologique de façon intégrative (non-réductionniste), c’est-à-

dire comportant des interactions multiples et/ou non-triviales (p. ex. multi-échelles, multi-agents,

non-linéaires, présentant des propriétés émergentes etc...) et,

➔   2) répondant à un critère d’interaction réelle entre aspects expérimentaux et formels

• Plus de 60 équipes ont répondu
➔   Toutes disciplines en biologie

➔   Grande diversité d’approches (expérimentateurs, modélisateurs, philosophes, p.ex.)

• Liste de diffusion : biosys@listes.upmc.fr

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Agenda du réseau

• Réunion de travail sur les aspects d’enseignement en février (recensement, structuration)
• Colloque de lancement du réseau les 6 et 7 juin 2016
➔   Matin 1 : 3 conférences / fondements biologie des systèmes + posters

➔   Après-midi 1 : 12 présentations courtes / orateurs sélectionnés au sein du réseau

➔   Matin 2 : tables rondes / aspects méthodologiques + structuration réseau + posters

➔   Après-midi 2 : restitution tables rondes et décisions (nom, logo, actions)

• Site internet
• Financement SATS–SU (novembre 2016), BQR, autres
• Institut hors les murs dans la logique des SATS–SU

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