Réalisation d'un simulateur de cellule vivante pour la biologie synthétique

Chef de projet : Hélène Moulet

La biologie synthétique est une science dont le but est de tendre vers l'assemblage d'éléments du vivant, c'est un peu comme des Lego:

• On prend des bouts de gènes, qui ont chacun une propriété particulière, que l’on appelle Biobrick (ou parts). Ce sont les pièces de lego.
  
• On les assemble entre elles pour former des ensembles (devices) qui ont chacun une fonction particulière: la moto ou le policier en lego.
  
• Enfin on peut assembler ces ensembles pour obtenir un système biologique complet : le policier sur sa moto.
  

Notre projet a consisté en la réalisation d’un simulateur informatique qui permet d’obtenir des modèles correspondant aux Biobricks sous forme d’équations de comportement de particules se déplaçant et réagissant entre elles dans une cellule.

Le nom du simulateur: Smarties, découle de notre choix de modélisation de la cellule (voir III/ )

• Choix des espèces et des différents paramètres liés (ci-contre).
• Affichage des espèces sur l’écran de l’interface graphique (ci-dessous).
• On choisit ensuite le type et les modalités des réactions voulues dans les autres onglets de l’interface.
  

Possibilité de modéliser un grand nombre de réactions et d’enregistrer les fichiers de résultats de manière automatisée.

Modélisation de la cellule sous forme de grille contenant :

• des particules : smarties colorés.
• des zones spécialisées dans lesquelles les particules peuvent réagir, ex : noyau, ribosomes.

• Le temps est discret, on parle de coups d'horloge ou d’itérations du programme.
• Chaque smarties bouge d’une case (haut/bas/droite ou gauche) à chaque itération.
• Lorsque deux smarties se retrouvent sur une même case ou lorsqu’une se rend dans une zone colorée, il peut y avoir des interactions (Les modalités d’interaction sont réglées à travers l'interface graphique.).

Exemples : On a codé deux réactions, les complexations (réaction de type nA+mB+pC=A_nB_mC_p… et la synthèse de protéines.

• 'rouge' et 'verte' entrant dans une même case donne 'bleue' peut modéliser la complexation A+B=AB

• synthèse protéique en 4 étapes:

1. une smarties rouge va sur le carré violet dans lequel elle passe trois itérations: modélisation du temps de réaction de la synthèse d'ARNm dans le noyau.
2. pendant ce temps, plusieurs smarties vertes sortent du carré violet: synthèse de plusieurs ARNm
3. une smarties verte passe 5 itérations dans le carré bleu: synthèse protéique dans un ribosome
4. pendant ce temps, plusieurs smarties jaunes sortent du ribosome: ce sont les protéines synthétisés

A partir de l’interface graphique, on obtient des courbes de résultats:

• abscisses: nombre d’itérations du programme
• ordonnées: concentrations des différentes espèces

A l’aide de logiciels de régression on obtient des équations de comportement. On peut ainsi:

• vérifier le bon fonctionnement du simulateur (résultats proches de résultats théoriques connus)
  
• développer de nouveaux modèles mathématiques expliquant le comportement des particules.

On peut aller plus loin, récupérer les données de nombreuses simulations (à partir de tableaux de données fournis par le programme) et analyser ce qu’on veut:

à gauche: approximation par une somme de deux exponentielles des coefficients de réaction des trois complexations en fonction de probabilités de réaction et d’anti-réaction.

en bas: étude du bruit dû à la probabilité d’anti-réaction dans une réaction A+B=AB.

Ce projet sera repris par un autre groupe (n°7 généralistes) dans le cadre de sa participation au concours IGEM.