CID 51 Modélisation, et analyse des données et des systèmes biologiques : approches informatiques, mathématiques et physique

VI. Interface physique

Les approches de modélisation à l'interface de la biologie avec la physique permettent de développer des concepts structurants et d'obtenir des descriptions du fonctionnement des systèmes biologiques à différentes échelles d'organisation : depuis le niveau moléculaire, jusqu'aux machines cellulaires complexes, tissus, organes, organismes et écosystèmes. La physique biologique, la biologie structurale et la biologie des systèmes ont comme objectif commun l'étude des mécanismes du vivant par des modèles. On peut naturellement s'attendre à une convergence des méthodes, questions et problématiques de ces domaines scientifiques.

La physique statistique a produit des contributions importantes en biophysique, biochimie et plus récemment en relation avec l'analyse des données génomiques. Des modèles de la physique statistique, tels que les modèles d'Ising, Potts, gaz sur réseau, marches aléatoires et modèles de polymères ont permis d'analyser le fonctionnement des macromolécules à l'origine de couplages bio-mécano-chimiques dans des processus tels que l'adhésion, la motilité, la division cellulaire, la différentiation cellulaire ou l'expression des gènes. Ces études ont conduit à de nouveaux paradigmes tels que la relation entre contraintes mécaniques et expression génique. Des modèles mécaniques d'organes et de tissus cellulaires trouvent des applications en médecine, notamment dans l'étude des cancers où ils soulignent l'importance de la mécanique et de la physico-chimie dans les phénomènes d'invasion et de prolifération tumorale. Un effort particulier est nécessaire pour réaliser le passage à l'échelle des modèles moléculaires et cellulaires aux modèles tissulaires et d'organes. L'enjeu est de construire des modèles réalistes, physiquement cohérents et qui contiennent suffisamment de détails pour intégrer des données génomiques et biophysiques. Les modèles de la physique non-linéaire, tels que les solitons, ont permis d'aborder des problèmes biologiques divers allant de la dénaturation de l'ADN à la formation de motifs en morphogènese et la dynamique spatiale des populations en écologie. À travers le concept général de criticalité auto-organisée, la physique non-linéaire a inspiré des recherches en neurosciences, en conduisant à des interprétations nouvelles des signatures caractéristiques de l'activité des neurones avec des possibles applications en diagnostic. Finalement, et ce qui n'est pas le moins important, la modélisation biophysique ne peut pas être dissociée de l'expérimentation et de l'analyse de données. Les programmes de recherche à la frontière entre la physique et la biologie profitent ainsi des techniques de pointe en biophysique de la molécule unique, mesures de force mécanique, imagerie multimodale.

En France, l'interface entre la physique et la biologie est bien développée et structurée grâce à une forte tradition en physico-chimie et à une nouvelle génération de physiciens attirés par la complexité des systèmes biologiques. Le lien entre la modélisation et l'expérimentation biophysique est facilité par l'existence de nombreuses équipes reconnues au plus haut niveau international et de bonnes pratiques de collaboration au niveau de chercheurs sur le terrain. Cependant, la France est en retard dans l'élaboration et l'enseignement des nouveaux concepts physiques issus des avancées expérimentales en génomique et en biophysique. La compétition internationale dans ce domaine demande aux chercheurs non seulement une solide formation en physique théorique mais aussi des connaissances étendues en biologie. En outre, des synergies sont nécessaires entre les physiciens, les bioinformaticiens et les modélisateurs impliqués en biologie des systèmes et en biologie structurale pour relever les défis de la modélisation à grande échelle.