La bio-informatique s'attaque à la complexité

- La biologie intégrative considère un organisme comme un système à part entière et vise à comprendre les interactions moléculaires qui s'y produisent.
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«Vos analyses sanguines permettent de prédire que vous avez 40 % de risques de développer un cancer du sein à 50 ans, et que ce chiffre tombera à 5 % si vous prenez le traitement X dès 35 ans. » Si étonnant qu'il paraisse aujourd'hui, un tel pronostic médical sera sans doute possible d'ici peu. C'est en tout cas vers quoi tendent les recherches en biologie intégrative (ou biologie des systèmes). Cette discipline développe des méthodes pour interpréter et exploiter les données issues de l'étude d'un organisme vu comme un système. Un système où interagissent gènes et protéines de manière complexe. Or, la moindre perturbation au niveau de ces interactions peut se traduire par la survenue d'une maladie. La biologie intégrative va tenter de comprendre et prédire les mécanismes de pathologies, mais aussi d'identifier de nouvelles cibles pour les traiter.

À la croisée des sciences du vivant et des mathématiques, la biologie intégrative a été développée aux États-Unis au début des années 2000. « Cette science a émergé avec l'arrivée du catalogue génétique résultant du projet génome humain, explique Leroy Hood, pionnier de la discipline et président de l'Institut de biologie des systèmes de Seattle (Washington, États-Unis). Cette approche rend possible le développement d'une médecine prédictive, préventive et personnalisée. » Cet institut développe, selon cette approche, de nouveaux diagnostics sanguins du diabète de type I et des cancers du sein et de la prostate.

En France, les travaux sont certes plus récents, mais les initiatives se multiplient aussi bien en recherche académique que dans les entreprises. Ainsi, la société Bio-Modeling Systems développe le concept de biologie intégrative prédictive. « Notre approche est l'inverse de la méthode classique où l'on part de l'expérimentation pour comprendre les mécanismes, explique Manuel Gea, cofondateur et PDG de l'entreprise. Nous proposons un processus de sélection négative d'hypothèses : il s'agit d'un modèle théorique que les experts du domaine vont tenter de détruire. À l'issu de ce processus, un modèle qui n'a pas pu être réfuté va servir de base pour réaliser des expérimentations ciblées. Nous produisons des modèles validés expérimentalement in vivo sur des pathologies humaines complexes comme les cancers et les maladies d'Alzheimer et de Creutzfeldt-Jakob. »

Des économies importantes à la clé

Autre entreprise sur ce créneau, Helios Biosciences développe la biologie intégrative dynamique pour identifier des cibles thérapeutiques efficaces. « En amont du développement d'un médicament, une meilleure sélection des cibles peut se traduire par des économies très importantes », assure Jean-Baptiste Dumas, gérant de la société. Selon le magazine Drug Discovery World, le coût actuel du développement d'un médicament représente 881 millions de dollars (650 millions d'euros). Les échecs, quant à eux, se montent à 665 millions de dollars dont... 275 millions dus à des cibles thérapeutiques erronées. L'entreprise développe ses modèles dynamiques pour les maladies auto-immunes, neurodégénératives et certains cancers.

Côté recherche académique, l'initiative la plus avancée est le vaste programme épigénomique lancé début 2003 au Genopole, à Évry (Essonne), sur la modélisation des systèmes biologiques complexes. Une soixantaine de personnes y travaillent notamment sur la compréhension du fonctionnement d'un réseau de régulation biologique par l'informatique et sur la modélisation des réseaux métaboliques. À noter qu'Évry devient un pôle en la matière avec l'inauguration, fin 2006, sur le campus de l'université, du laboratoire Ibisc (Informatique, biologie intégrative et systèmes complexes). L'une de ses thématiques est focalisée sur les cancers, plus précisément sur les interactions cellule-environnement lors de l'échappement métastatique.

Enfin, à l'Inria Rhône-Alpes, on s'intéresse notamment à la modélisation de la réponse d'E. coli au stress nutritionnel. Selon Delphine Ropers, chercheuse à l'Inria, « ces recherches pourraient être étendues aux bactéries pathogènes. En effet, leurs réseaux de régulation génique contrôlent leur adaptation à la cellule-hôte et, par conséquent, leur virulence ».

Améliorer le rendement de bioprocédés

Le potentiel de la biologie intégrative ne se limite pas aux recherches sur la santé. Ainsi, la société Bio-Modeling Systems participe-t-elle au projet Synthons au sein du pôle de compétitivité Industrie agroressources pour produire de nouveaux intermédiaires chimiques à partir de ressources d'origine agricole. Son rôle consiste à modéliser les bioréactions pour améliorer les rendements carbones des procédés utilisant des bactéries, des levures... Ses partenaires sont L'Oréal, Arkema et Rhodia. La start-up développe aussi un projet sur l'énergie visant un bioprocédé de production de pétrole à partir de déchets organiques. Des applications de la biologie intégrative sont aussi attendues en agroalimentaire. Le laboratoire Biotechnologie-bioprocédés de l'Insa de Toulouse s'intéresse à la modélisation du métabolisme lipidique qu'il s'agirait de modifier pour la synthèse d'acides gras non usuels. Sans oublier l'Inra qui a lancé en 2006 le programme AgroBI sur la biologie intégrative animale, végétale et microbienne et organise avec le CNRS une école thématique sur ce sujet du 1er au 5 octobre à Batz-sur-Mer (Loire-Atlantique)

L'ESSENTIEL

- La biologie intégrative est l'étude d'un organisme vu comme un système où interagissent gènes et protéines de manière complexe - Ses applications vont de la prédiction de mécanismes de maladies à l'identification de cibles thérapeutiques - Des débouchés sont envisagés sur les mécanismes agroalimentaires et les bioprocédés pour la chimie et les cosmétiques.

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