La logique et le vivant : les formalismes de représentation des connaissances en biologie
Institution:
Université de Marne-la-ValléeDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
The problem of modeling biological knowlege has become acute. Now that the human genome has been sequenced and the modeling of the logic for gene recognition has progressed, the next question to be answered is that of the logic of the regulatory mechanisms and the circulation of information via protein interactions in the cell, between cells of the same tissue and then at the organism level. Indeed, regulatory mechanisms favour one pathway, a single path in the network of possible reactions, all of which are probable, but the pathway to which the cell commits is activated by regulatory proteins and/or the environment. The DNA database contains the matrix for the translation of genes into proteins; the "know-how" is based on the genetic code, but the regulatory mechanisms indicate "what to do" in a given cellular and tissular environment, aided by algorithmic notions of alternatives and recursiveness. The grammar that we present is a modelization of regulatory mechanisms for gene expression that considers two types of objects: DNA transcriptional units and the proteins synthesized, and other regulatory molecules and ligands. The molecular algebra describes the succession of operations for the four systems of regulation: by activation or repression, each of which may be modulated by a positive or negative cofactor. The object of the simulation is the observation of the cell in a given state, and for a given process which implicates a cascade of genes; the examples of biological algorithms tested combines several types of regulation: the lactose operon, regulation of metallothionein, catabolism of galactose in yeast, the tryptophan operon and passage from the lysogenic to the lytic phase in phage. This model has been extended to intercellular communications as well as regulatory mechanisms for metabolic pathways. We present two examples of biological algorithms at the organismic scale: a simplified description of the immune response and glycogen metabolism in the liver. A demonstration of this has recently been performed by experiments in "re-programming" of the nucleus by the cytoplasm of another cell, a stem cell or a mature ovum, with therapeutic or cloning objectives. The two key concepts of this re-programming are the molecular algebra of regulatory mechanisms and the working-space memory of the cell in which vital biological processes take place
Abstract FR:
La question de la modélisation des connaissances en biologie se pose de manière aiguë. Maintenant que le génome humain est séquencé et la modélisation de la logique de reconnaissance des gènes bien avancée, se pose la question de la logique des mécanismes de régulation et de la circulation de l'information par interactions protéiques au sein de la cellule, entre les cellules d'un même tissu puis au niveau de l'organisme. En effet les mécanismes de régulation privilégient une voie, un chemin dans un graphe des réactions possibles et toutes probables, mais la voie dans laquelle la cellule s'engage est activée par les protéines régulatrices et/ou l'environnement. La base de données ADN contient la matrice pour la traduction des gènes en protéines, le « comment faire » basé sur le code génétique, mais les mécanismes de régulation indiquent « quoi faire » dans un environnement cellulaire et tissulaire donné à l'aide de notions algorithmiques d'alternative et de récursion. La grammaire que nous présentons est une modélisation des mécanismes de régulation de l'expression des gènes qui considère deux types d'objets : les unités transcriptionnelles sur l'ADN et les protéines synthétisées et autres molécules régulatrices et ligands. Cette algèbre moléculaire décrit la succession des opérations pour les quatre systèmes de régulation : par activation ou par répression, chacun pouvant être modulé par un co-facteur positif ou négatif. L'objet de la simulation est l'observation de la cellule dans un état donné, et pour un processus donné qui implique une cascade de gènes, les exemples d'algorithmes biologiques testés combinent plusieurs types de régulation : opéron lactose, régulation de la méthallothionéine, catabolisme du galactose chez la levure, opéron tryptophane, passage de la phase lysogénique à la phase lytique chez le phage. Ce modèle à été étendu aux voies de communications inter-cellulaires, ainsi qu'aux mécanismes de régulations des voies métaboliques, nous présentons deux exemples d'algorithmes biologiques à l'échelle d'un organisme : une description simplifiée de la réponse immunitaire et le métabolisme du glycogène dans le foie. La démonstration a été faite récemment par les expériences de « re-programmation » du noyau par le cytoplasme d'une autre cellule, cellule souche ou ovule arrivé à maturité, à des fins thérapeutiques ou de clonage : les deux concepts clés de cette re-programmation sont l'algèbre moléculaire des mécanismes de régulation et la mémoire « vive » de la cellule où se déroule les processus biologiques vitaux