Modélisation de la morphogénèse animale et végétale : du GENE à la FORME – GENESHAPE

Les organismes biologiques sont des exemples typiques de systèmes complexes où des molécules interagissent pour former des cellules qui interagissent à leur tour pour former des tissus et des organes ayant des formes et des fonctions spécifiques. Comment une régulation à l'échelle cellulaire se traduit en formes complexes multicellulaires est une question à laquelle on n'a aucune réponse, dans aucun organisme, et qui reste un problème central en biologie du développement. Jusqu'à présent, les biologistes se sont penchés sur la question en étudiant le rôle de gènes ou de molécules individuels. Bien que ce type d'approche se soit révélé extrêmement productif, la quantité actuelle de données disponibles ne permet plus d'avoir une vue intégrée. C'est pourquoi les approches des systèmes complexes qui visent à expliquer et prédire le comportement des systèmes biologiques par une analyse quantitative et de modélisation, sont devenues absolument nécessaires. Dans ce projet, nous proposons de développer de telles approches pour étudier le développement d'organismes multicellulaires. Ceci est un enjeu majeur qui implique une recherche multidisciplinaire à la fois dans le domaine des mathématiques, de l'informatique et de la biologie du développement. Notre objectif est de développer des méthodes et des concepts qui pourraient s'appliquer à un large panel d'objets biologiques. C'est pourquoi nous avons choisi deux modèles biologiques différents. Le premier est l'embryon d'une ascidie, Ciona intestinalis et le deuxième est l'organe reproducteur femelle de la plante à fleur Arabidopsis thaliana. Ces deux systèmes sont a priori très différents. Cependant, ils montrent aussi des ressemblances morphologiques frappantes. Le développement de ces deux systèmes implique le contrôle spatial de la croissance cellulaire et de la prolifération, ainsi que, à une échelle supérieure, la croissance des organes, l'invagination et le repliement des tissus. D'un point de vue très fondamental, il est très intéressant d'étudier comment, deux organismes distants, ont résolu des problèmes différents (différentes contraintes mécaniques, nombre de cellules différents, durée du processus différent) pour finalement arriver à des morphologies similaires. Afin de comprendre le développement de ces deux organismes, nous proposons de : - collecter et acquérir de nouvelles données quantitatives au niveau moléculaire, cellulaire et multicellulaire - organiser ces données dans une base de données - intégrer ces données dans un modèle spatialisé dynamique ou modèle descriptif - développer des modèles théoriques dynamiques sous la forme d'organismes virtuels afin d'exprimer des hypothèses - vérifier la valeur prédictive de ces modèles en comparant les résultats avec les données réelles et par l'expérimentation