Emergence de structures modulaires dans les régulations des systèmes biologiques : théorie et applications à Bacillus subtilis

De
Publié par

Sous la direction de Gérard Scorletti, Vincent Fromion
Thèse soutenue le 04 novembre 2010: Ecole centrale de Lyon
Cette thèse consiste à étudier l'organisation du système de contrôle des voies métaboliques des bactéries afin de dégager des propriétés systémiques révélant son fonctionnement. Dans un premier temps, nous montrons que le contrôle des voies métaboliques est hautement structuré et peut se décomposer en modules fortement découplés en régime stationnaire. Ces modules possèdent des propriétés mathématiques remarquables ayant des conséquences importantes en biologie. Cette décomposition, basée intrinsèquement sur la vision système de l'Automatique, offre un cadre théorique formel général d'analyse du contrôle des voies métaboliques qui s'est révélé effectif pour analyser des données expérimentales. dans un deuxième temps, nous nous intéressons aux raisons possibles de l'émergence de cette structure de contrôle similaire. Nous identifions un ensemble de contraintes structurelles agissant au niveau de la répartition d'une ressource commune, les protéines, entre les processus cellulaires. Respecter ces contraintes pour un taux de croissance donné conduit à formaliser et résoudre un problème d'optimisation convexe non différentiable, que nous appelons Resource balance Analysis. Ce problème d'optimisation se résout numériquement à l'échelle de la bactérie grâce à un problème de Programmation Linéaire équivalent. plusieurs propriétés sont déduites de l'analyse théorique du critère obtenu. Tout d'abord, le taux de croissance est structurellement limité par la répartition d'une quantité finie de protéines entre les voies métaboliques et les ribosomes. Ensuite, l'émergence des modules dans les voies métaboliques provient d'une politique générale d'économie en protéines chez la bactérie pour gagner du taux de croissance. Certaines stratégies de transport bien connues comme la répression catabolique ou la substitution de transporteurs haute/basse affinités sont prédites par notre méthode et peuvent alors être interprétées comme le moyen de maximiser la croissance tout en minimisant l'investissement en protéines.
-Biologie des systèmes
-Réseaux de régulation génétique et métabolique
-Modularité
-Limitation du taux de croissance
-Gestion des ressources
-Resource Balance Analysis
-Optimisation convexe
-Prédiction des modules
This thesis consist in studying the organization of the control system of metabolic pathways of bacteria to identify systemic properties revealing its operation. At first, we show that control of metabolic pathways is highly structured and can be decomposed into modules strongly decoupled in steady-state. These modules are defined by their singular mathematical properties having important implications in biology. This decomposition, based inherently on the system outlook of automatic control, offers a formal theoretical analysis of general control of metabolic pathways, which has been effective in analysing experimental data. In a second step, we consider the possible reasons for the emergence of this modular control structure. We identify a set of structural constraints acting at the distribution of a common resourc, the proteins between cellular processes. Satisfying these constraints for a given growth rate leads to formalize and to solve a non-differentiable convex optimization problem, that we call Resource Balance Analysis. This optimization problem is solved numerically at the scale of the bacteria through an equivalent linear programming problem. Several properties are derived from theoretical analysis of the obtained criterion. Firts, the growth rate is structurally limited by the distribution of a finite amount of proteines between the metabolic pathways and the ribosomes. Second, the emergence of modules in metabolic pathways arises from a policy of economy in proteins in the bacterium to increase the growth rate. Some well known transport strategies such as catabolite repression of the substitution between low/highaffinity transporters are predicted by our methods and could consequently be interpretd as ways to maximize growth while minimizing investment in proteins.
-Systems biology
-Genetic and metabolic regulatory networks
-Modularity
-Growth rate limitation
-Resource management
-Resource Balance Analysis
-Convex optimization
-Module prediction
Source: http://www.theses.fr/2010ECDL0030/document
Publié le : vendredi 28 octobre 2011
Lecture(s) : 50
Nombre de pages : 256
Voir plus Voir moins

Rapp
Y
t

de
d'ordre
M.
2010-30
des
Année
BURET
2010
Professeur
ÉCOLE
des
CENTRALE
herc
DE
Inra
L
on
YON
jury
THÈSE
ersités,
p
orteur
our
AgroP
obtenir
atore
le
ersité
grade
OT
de
de
DOCTEUR
de
Sp
M.
écialité
Cen
:
d'examen
Informatique
t
Automatique
F
préparée
des
dans
Cen
le
on
lab
Claude
oratoire
Univ
Amp
ec
ère
M.
et
CO
dans
ersités,
l'unité
Rome
de
e
Mathématique,
de
Informatique
Inra
et
M.
Génome
OMION
de
herc
l'Institut
de
National
SCORLETTI
de
ersités,
la
de

ommission
herc
JUR
he
Présiden
Agronomique
du
dans
M.
le
rançois

Professeur
de
Univ
l'École
École
Do
trale

Ly

Rapp
Électrotec
M.
hnique
GAILLARDIN
et
des
Automatique
ersités,
par
arisT
Anne
h
Go
orteur
elzer
Salv
Émergence
MONA
de
Professeur

Univ
mo
Univ
dulaires
de
dans
Examinateur
les
Philipp
régulations
NOIR
des

systèmes

biologiques
he,
Théorie

et
thèse
applications
Vincen
à
FR


lus

subtilis
he,
soutenue

publiquement
thèse
le
Gérard
4
Professeur
novembr
Univ
e
École
2010
trale
devant
Ly
la
N











! " # ! $ %& %& ! $ #’ % # ! # (








Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.

Diffusez cette publication

Vous aimerez aussi