La piratage de la science la plus difficile

Publié le lundi 1 octobre 2012

Auteur : Andrew Hessel

Andrew Hessel

Chercheur éminent, Autodesk
Co-président du volet Biotechnologie et Bioinformatique, Singularity University
Co-fondateur, Pink Army Cooperative

Oubliez les mathématiques et la physique. La biologie est la science la plus difficile. Les ingénieurs dans d’autres domaines ont construit des ordinateurs quantiques dont les opérations se rapprochent de la magie. Ils ont crée le Large Hadron Collider (LHC), un instrument gigantesque pour étudier la physique à ces limites. Ils ont atterri un rover de 2000 livres sur Mars en utilisant un système de grue dans le ciel compliqué, qui n’a jamais été testé auparavant. Ces projets étaient difficiles mais clairement réalisables.

Considérez maintenant la biologie. Même après des centaines d’années d’efforts collectifs, les spécialistes des sciences de la vie ne savent toujours pas exactement comment fonctionne la cellule, l’unité de vie la plus élémentaire. La biologie est difficile. Sérieusement difficile.

Mais il y a du progrès, et cela consiste en la création de cellules virtuelles. En juillet dernier, Karr et al ont publié le premier simulateur informatique complet pour une cellule. C’est un modèle métabolique de la bactérie Mycoplasma genitalium, un parasite qui peut causer des infections des voies urinaires et génitales. C’est une simple bestiole, à peu près aussi simple que peut l’être une forme de vie libre. Il a un génome minuscule de seulement 521 gènes. C’était aussi l’un des premiers génomes qui ont été séquencés au milieu des années 1990.

Le simulateur de Karr relie 28 sous-modèles de processus métaboliques pour produire un tableau complet pour la bactérie, où les différentes activités de la cellule peuvent être observées en temps réel. C’est comme le contrôle de la mission pour le métabolisme. Le tableau permet également aux chercheurs de concevoir et d’exécuter des expériences virtuelles. C’est vraiment cool.

Cependant, même avec ce modèle, la science est encore loin de comprendre complètement comment fonctionne la vie, parce que sous le capot du modèle est un peu plus qu’une série de formules, et les formules sont trop rigides pour révéler la vraie biodynamique d’une cellule vivante.

Les chercheurs ont vraiment besoin d’un simulateur basé sur un agent. Dans un système modélisateur basé sur un agent, chaque structure moléculaire qui compose une cellule (et il y a des millions voire des milliards de ces molécules) aurait un avatar numérique bio-physiquement précis. Chaque avatar serait autonome. Combinés, ils interagiraient pour produire une cellule virtuelle qui se comporterait comme une vraie cellule dans le monde réel, ouvrant la porte à une multitude d’expériences virtuelles. Voilà l’idée. Reste qu’un tel modèle doit être fait.

Encore une fois, la biologie est difficile. Mais le fait de reprendre là où un projet canadien visionnaire s’était arrêté il y a presque dix ans pourrait mener à la création de la cellule virtuelle à base d’agent.

Dirigé par le Dr. Michael Ellison de l’Université de l’Alberta, qui pourrait savoir le plus sur les cellules virtuelles au Canada, le projet Cybercell représentait un effort de 15,6 millions de dollars pour modéliser la bactérie intestinale E. coli.

Cybercell était un projet visionnaire. Malheureusement, comme la plupart des projets visionnaires, c’était un projet qui était juste un peu en avance sur son temps. Même avec son budget relativement important, Cybercell était trop ambitieux pour la technologie de l’époque. Il y avait tout simplement trop de données en sciences de la vie pour qu’un groupe puisse recueillir, et pas assez de puissance de calcul pour traiter l’information obtenue. Bien que cela ait mené à quelques bases de données, à des simulations et à des recherches utiles, le projet a échoué.

Mais beaucoup de choses ont changé depuis 2002 et il est peut-être temps de revoir l’idée d’une cellule virtuelle. Cela ferait un grand projet communautaire pour les scientifiques, un endroit où des milliers de chercheurs pourrait ajouter et organiser des données sur les molécules ou les mécanismes qu’ils connaissent intimement – comme un wiki pour le métabolisme. Et si cela était fait, cela permettrait à n’importe qui de pirater la vie avec un peu plus qu’un ordinateur portable en exécutant des expériences virtuelles. La cellule est morte? Aucun problème. Il ne suffit que de le redémarrer.

Cela ne veut pas dire que fabriquer une cellule virtuelle est un travail facile. Il faudrait un niveau sans précédent de coordination et de coopération entre les spécialistes des sciences de la vie. Mais si les physiciens et les spécialistes des fusées étaient capables de le faire, les biologistes devraient aussi pouvoir le faire.

Le LHC disposait d’un budget de 9 milliards de dollars et Curiosity a coûté environ 2,5 milliards de dollars, des chiffres qui expliquent en grande partie pourquoi le premier coup porté à la création d’une cellule virtuelle a échoué. Faire un autre coup dans une cellule virtuelle serait gratuit, mais il n’y aurait aucune raison de dépenser des milliards, non plus – avec des réseaux bon marché, des ordinateurs bon marché, et le crowdsurfing (les jeux scientifiques se sont révélés très populaires ces dernières années). Si le projet pouvait commencer, il y a de bonnes chances qu’il puisse faire un effet boule de neige.

Un simulateur cellulaire biologiquement précis aiderait grandement les chercheurs à comprendre tout, des mécanismes cellulaires de base aux interactions médicamenteuses, en passant par les changements des systèmes moléculaires dans les états pathologiques ou dans le cancer. Ce serait un outil éducatif fantastique. De plus, cela permettrait aux concepteurs métaboliques ou génétiques de tester en toute sécurité et à moindre coût de nouvelles idées dans des cellules virtuelles, ou des systèmes d’organes virtuels, ou même des organismes virtuels. Cela pourrait donner un gros coup de pouce à l’ingénierie biologique.

Le moment ne pourrait être mieux. Au cours des dernières années, la biologique synthétique, un type de technologie de génie génétique assistée par ordinateur, a ouvert la porte à des scientifiques sérieux et même à des débutants pour commencer la reprogrammation des cellules pour tout fabriquer, des biocarburants aux nouveaux médicaments. Si la cellule virtuelle est fabriquée, la science la plus difficile de toutes pourrait devenir beaucoup plus simple pour tout le monde.

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