Au cours des cinquante dernières années, une énorme quantité de connaissances s'est accumulée sur le fonctionnement des cellules. Selon certains, cela n'a pas conduit à une compréhension théorique plus approfondie de ce qu'est une cellule. Pourquoi? Une explication possible est que les cellules sont complexes et que cela prend du temps. Il existe également une autre option, celle d'un cadre de mésinterprétation, qui est la cellule comme machine.
Nos corps sont constitués de cellules. Cela semble aller de soi. Pourtant, les cellules n'ont été observées pour la première fois qu'à la fin du XVIIe siècle avec le développement des premiers microscopes. Le terme "cellule" apparaît pour la première fois dans le livre de Robert Hooke Mocrographia en 1665. Vient du latin cella , signifiant "petite pièce", Hooke lui rappelait la cellule monastique des moines chrétiens. Ce n'est qu'au milieu du XIXe siècle que la théorie cellulaire moderne a été formulée :tous les organismes sont constitués de cellules et proviennent de cellules.
Observer une cellule est bien sûr différent de comprendre son fonctionnement. De la même manière que la « cellule » est une métaphore, son fonctionnement est compris à travers une autre métaphore :la cellule en tant que machine. La cellule est comprise comme une machine ou une usine qui produit de l'énergie ou des molécules. Ou une cellule est conçue comme un petit ordinateur, avec les parties de la cellule comme matériel et l'ADN comme logiciel.
Le succès de la biologie synthétique dépend du fait que les cellules sont effectivement des "machines"
Ces métaphores sont au cœur de la biologie synthétique, par exemple, qui vise à rendre la biologie plus efficace en important des techniques et des concepts issus des sciences de l'ingénieur. Tout comme les ingénieurs fabriquent des voitures efficaces et fiables, les biologistes assembleront bientôt des machines biologiques. L'espoir est que ces cellules fabriquées fabriqueront des biocarburants ou d'autres produits chimiques moins chers et respectueux de l'environnement. Cependant, le succès de la biologie synthétique dépend de la question de savoir si les cellules sont effectivement des "machines".
Dans un article récent du Journal of Theoretical Biology le philosophe Daniel J. Nicholson (Konrad Lorenz Institute) soutient que cela est problématique. Au cours des cinquante dernières années, une énorme quantité de connaissances s'est accumulée sur le fonctionnement des cellules. Cependant, cela n'a pas conduit à une compréhension théorique plus approfondie de ce qu'est une cellule. Pourquoi? Une explication possible est que les cellules sont complexes et que cela prend du temps. Il y a aussi une autre option, dit Nicholson :nous sommes coincés dans un cadre d'interprétation erronée, à savoir celui de la cellule en tant que machine.
Une première question importante est ce qu'est une machine en premier lieu. Nous le connaissons intuitivement, du fait de nos contacts quotidiens avec des voitures ou des ordinateurs. Plus abstraitement, vous pouvez définir une machine comme un appareil avec des pièces fixes et interactives qui fonctionnent de manière coordonnée pour produire un résultat prédéterminé.
Il y a deux raisons de douter de la métaphore de la machine :l'auto-organisation et la mise à l'échelle
Selon Nicholson, il y a deux raisons pour lesquelles cette métaphore de la machine pour la biologie est fausse. Tout d'abord, parce que les cellules sont caractérisées par l'auto-organisation. Une machine n'a besoin d'être assemblée qu'une seule fois pour continuer à fonctionner sans problème jusqu'à ce qu'elle s'effondre. Une cellule, en revanche, ne reste stable que grâce à un échange continu d'énergie et de matière avec l'environnement.
Deuxièmement, il y a la question de l'échelle. En raison de leur taille microscopique, les cellules sont soumises à des facteurs d'influence radicalement différents de ceux des voitures ou des ordinateurs, ce qui signifie que des règles différentes entrent en jeu.
Nicholson pointe quatre domaines qui montrent que la métaphore de la machine est inadéquate. Tout d'abord, il y a la structure d'une cellule, l'architecture dite cellulaire. L'image prédominante d'une cellule est celle d'un ensemble stable et délimité avec des parties claires.
Cette image est issue des techniques traditionnelles d'imagerie de ces cellules. Pour observer une cellule, il faut la tuer, la sécher et la colorer avant de la mettre au microscope. Cela a un effet sur l'imagerie des cellules. Cela donne la fausse impression d'une cellule comme quelque chose de stable et d'immobile.
De nouvelles techniques montrent que les cellules sont plus susceptibles d'être caractérisées par des formes d'auto-organisation :une forme stable temporaire émerge à travers des interactions complexes entre toutes sortes de molécules. Pensez à un bain à remous. D'un désordre constant surgit un modèle ordonné temporaire, qui ne dure que tant que de nouvelles énergies et matières sont fournies. Une cellule est un vortex plutôt qu'une machine. Il ne reste semi-stable que tant qu'il y a suffisamment de mouvement.
Selon Nicholson, cela signifie déplacer notre attention de la matière vers la forme. Ce qui compte dans une cellule - ce qui fait qu'une cellule est vivante la cellule fait – n'est pas tant la matière, mais la forme :l'information, l'ordre temporel, qui est présent dans la cellule.
La même histoire peut être racontée à propos des protéines, les éléments constitutifs de toute matière vivante. Ici aussi, les techniques classiques présentent une image trompeuse. Un exemple est la diffraction des rayons X, qui cartographie indirectement la structure des protéines en observant comment elles interagissent avec les rayons X. Le résultat est une image cristallisée des protéines, qui est faussement stable.
En réalité, les protéines ne semblent pas se comporter comme des objets solides, mais plutôt comme des liquides. Les protéines ne sont pas des « machines moléculaires », car elles passent souvent d'une forme à l'autre, en fonction de l'état et de l'environnement spécifiques. La métaphore souvent utilisée selon laquelle il s'agit de « clés » qui s'adapteraient à des « serrures » spécifiques est donc déplacée. Le biologiste Tanguy Chouard en plaisantait en 2011 dans Nature "que vous pourriez aussi bien essayer d'ouvrir une porte avec des spaghettis cuits".
Un troisième domaine dans lequel la métaphore de la machine est défectueuse est celui du transport intracellulaire, la manière dont les molécules se déplacent dans la cellule. Ici aussi, on parle souvent de machines et de moteurs, comme si les molécules naviguaient dans la cellule comme de petits bateaux à moteur pour amener les bonnes substances au bon endroit. Toute l'énergie proviendrait alors de ces machines moléculaires (voir vidéo ci-dessous).
En réalité, on voit autre chose à l'œuvre, résultat de ce qu'on appelle le mouvement brownien. En 1827, l'Ecossais Robert Brown observa que les grains de pollen dans l'eau, bien que clairement composés de matière morte, effectuaient néanmoins toutes sortes de mouvements irréguliers. C'était, a-t-on découvert plus tard, parce que ces petites particules étaient constamment bombardées par les nombreuses molécules de l'eau qui contenaient le pollen.
De ce point de vue, la métaphore des molécules en bateaux à moteur semble intenable. Plutôt que l'image d'un bateau à moteur naviguant par ses propres moyens sur un océan sans vent, l'image est celle d'une marche permanente à travers un ouragan, dans laquelle la molécule en mouvement entre en collision à plusieurs reprises avec toutes sortes d'autres particules qui l'entourent.
Il ne s'agit donc pas d'un moteur qui doit générer de l'énergie pour se mettre en mouvement, mais de molécules qui se déplacent dans une cellule en ajustant ces forces d'ouragan à leur volonté. Plus qu'un bateau à moteur, c'est un voilier qui sait diriger les forces du vent dans le bon sens. L'énergie n'est pas tellement utilisée pour générer un mouvement, mais pour ralentir et diriger.
Plutôt qu'un bateau à moteur naviguant par ses propres moyens sur un océan calme, c'est une marche à travers un ouragan, dans lequel la molécule entre en collision avec d'autres particules autour d'elle
L'échelle fait clairement une différence ici. Une machine macroscopique doit principalement lutter contre des forces telles que la gravité et l'inertie. Avec ce dernier, pensez à la force qui vous pousse vers l'arrière lorsque vous êtes dans un véhicule qui accélère. De telles forces jouent à peine un rôle au niveau cellulaire et heureusement elles le font. Les molécules sont des matériaux mous et flexibles qui ne pourraient pas faire grand-chose contre ces forces. La principale force avec laquelle ils doivent se battre est le mouvement brownien ci-dessus.
Enfin, il y a le comportement cellulaire. Ici aussi, selon Nicholson, l'image traditionnelle d'une machine joue un rôle majeur. Si vous supposez que toutes les cellules sont des machines, vous vous attendez à ce qu'elles se comportent toutes de la même manière. Vous n'avez donc pas besoin de regarder des cellules individuelles, mais vous pouvez prendre la moyenne d'une population de cellules et en déduire le comportement de la cellule individuelle.
Mais lorsque les biologistes ont commencé à comparer des cellules individuelles, une image différente a émergé. Les cellules individuelles peuvent réagir de manière radicalement différente dans à peu près les mêmes conditions. C'est loin d'être un processus graduel, dans lequel certaines cellules réagissent simplement plus rapidement ou plus lentement aux nouvelles circonstances.
Les études récentes ne voient plus le bruit comme un obstacle à accepter, mais comme quelque chose que les cellules peuvent exploiter
Un exemple clair est la recherche sur le bruit (bruit ) dans les cellules. Ce concept joue un rôle majeur en biologie synthétique. Si vous souhaitez programmer des cellules pour effectuer une certaine tâche, comme la fabrication de biocarburants, elles doivent suivre des instructions de manière prévisible. En réalité, toutes les cellules ne répondent pas aussi bien. Cet écart entre le signal et la réponse souhaitée est ce que les ingénieurs appellent le bruit et est généralement considéré comme un problème à résoudre.
Ces dernières années, cependant, un changement conceptuel s'est opéré. Les premiers biologistes synthétiques interprétaient le bruit uniquement comme un fardeau inévitable. Dans des études récentes, le bruit n'est plus considéré comme un obstacle à accepter, mais comme quelque chose que les cellules peuvent exploiter. Tout comme les molécules de la cellule contrôlent le mouvement brownien, le bruit est souvent utilisé par les cellules pour augmenter leurs chances de survie et leur robustesse. Le bruit n'est donc pas un coût, mais un gain pour les cellules.
Des philosophes comme Nicholson sont donc optimistes quant à l'imminence d'une vision différente des cellules :la cellule n'est pas une machine, mais un processus. Il n'y a pas de beau schéma directeur d'une cellule, car c'est un tout qui s'auto-organise. Il n'y a pas de parties cellulaires strictement distinguables, mais plutôt des molécules flexibles qui sont multifonctionnelles. La cellule n'est pas une machine qui peut vous séparer, mais un processus cohésif qui est constamment en mouvement. "La cellule n'est pas machine, mais quelque chose de complètement différent - quelque chose de plus intéressant mais aussi de plus indiscipliné", explique Nicholson.
"La cellule n'est pas une machine, c'est quelque chose de complètement différent - quelque chose de plus intéressant mais aussi de plus indiscipliné" Daniel J. Nicholson, Journal de biologie théorique
Selon Nicholson, cela annonce un changement théorique en biologie. Mais pourquoi maintenant ? Historiquement, une telle approche par processus des cellules et organismes biologiques n'est pas si nouvelle. Une telle vision était déjà prônée dans les années 1970, notamment par le prix Nobel belge Ilya Prigogine. Les affirmations ci-dessus sont donc loin d'être nouvelles.
La situation est différente maintenant, selon Nicholson, notamment en raison des techniques utilisées. Il déclare que nous « assistons à une révolution conceptuelle provoquée par une révolution méthodologique ». Une gamme de nouvelles techniques permet aux biologistes de suivre des molécules et des cellules individuelles au fil du temps. Cela garantit que cette vision théorique abstraite peut également faire la différence expérimentalement.
La métaphore de la machine s'appuyait sur des techniques plus anciennes, qui supposaient la mort de la cellule et ne permettaient qu'un instantané. Les nouvelles techniques permettent aux biologistes d'observer les processus biologiques en tant que processus. La théorie n'a qu'à suivre.
