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La flexibilité métabolique passée au crible : trois démarches de modélisation possibles

Un élevage durable nécessite des animaux capables de s’adapter aux contraintes et perturbations environnementales pour maintenir leurs performances de production. La flexibilité métabolique est un des mécanismes majeurs de l’adaptation des animaux aux variations de leur environnement. Elle s’étudie à différents niveaux d’organisation, grâce à des méthodes de modélisation, qui différent selon le niveau considéré.

Les flèches rouges représentent une perturbation de même amplitude que l'état d'équilibre et les flèches noires le comportement du système face à cette perturbation. En gris le bassin d'extraction, c-à-d l'ensemble de tous les points du plan à partir desquels la trajectoire tend vers ce point d'équilibre. © Masoomeh Taghipoor
Par Sylvie André
Mis à jour le 18/07/2017
Publié le 17/07/2017

Le métabolisme est un processus qui se déroule au sein d’un réseau biologique vaste et complexe, recouvrant différents niveaux d’organisations spatiales et temporelles. La  modélisation est un outil adapté pour décrire, comprendre et prédire la variété des  réponses adaptatives, au sein d’un tel réseau. Cet article présente trois démarches possibles de modélisation (ou formalismes) permettant de décrire ce réseau, ainsi que trois exemples illustratifs du comportement de ce réseau face à des perturbations, notamment nutritionnelles, rencontrées en production animale.

La démarche  de modélisation à privilégier dépend de la taille du système que l’on souhaite étudier, des données disponibles et du type de prédictions souhaitées (qualitatives, quantitatives) : i) la modélisation structurelle se base sur l’étude des propriétés topologiques d’un réseau de grande taille, ii) la modélisation stœchiométrique permet d’analyser les flux métaboliques dans un état stationnaire du système (approche «flux balance analysis »ou FBA), iii) la modélisation dynamique permet d’observer l’évolution temporelle des éléments constitutifs  du réseau biologique.

La modélisation structurelle (ou Théorie des graphes) se base sur l’étude des propriétés topologiques d’un réseau de grande taille par construction d’un graphe d’influence (ou graphe de réactions : réactions biochimiques et/ou régulations génétiques). Dans notre cas d’étude, deux types de régimes étaient distribués à des porcs en croissance incluant, pour un même niveau d’énergie métabolisable, des types de nutriments très différents. La modélisation structurelle a permis d'identifier les facteurs transcriptionnels responsables de la flexibilité métabolique cellulaire aux échelles biochimiques (activités d’enzymes du métabolisme des lipides ou du métabolisme du glucose) et génétiques (régulations) (Gondret et al. 2016).

La modélisation stœchiométrique a permis de mettre en évidence la flexibilité métabolique de la glande mammaire de la vache pour maintenir la synthèse du lactose du lait. La définition de différentes fonctions « objectif » permet d’étudier les répartitions possibles des nutriments dans les différentes voies métaboliques (en termes de carbone) pour expliquer les variations de composition du lait (Abdou Arbi et al. 2014).

La modélisation dynamique permet d’observer l’évolution de quelques acteurs d’un réseau biologique dans le temps. Cette démarche a permis de résumer la dynamique de trois voies métaboliques impliquées dans la gestion des réserves énergétiques (glycogène et lipides), et leur synergie pour maintenir et restaurer un état d’équilibre énergétique intracellulaire en réponse aux modifications des flux d’entrée du glucose (Taghipoor et al. 2016b).

Les travaux décrits ici se sont focalisés sur le niveau d’organisation infra-animal.  Au niveau de l’animal entier, voire du troupeau, d’autres facteurs interviennent dans la détermination de la robustesse.  Pour étudier ces facteurs, il conviendra de combiner différents niveaux d’échelles de l’information biologique (par exemple de la cellule à l’animal), représentés par différents outils de modélisation (par exemple, « flux‐balance analysis » et modèle dynamique) pour étudier la cinétique de l’adaptation de l’animal.

Références

Taghipoor M., Lemosquet S., van Milgen, J., Siegel A., Sauvant D., Gondret, F. (2016a). Modélisation de la flexibilité métabolique : vers une meilleure compréhension des capacités adaptatives de l’animal. INRA Productions Animales 29(3): 201‐216.

Taghipoor M., van Milgen, J., Gondret, F. (2016b). A systemic approach to explore the flexibility of energy stores at the cellular scale: Examples from muscle cells. Journal of Theoretical Biology 404: 331‐341. doi: 10.1016/j.jtbi.2016.06.014

Gondret F., Vincent A., Houee‐Bigot M., Siegel A., Lagarrigue S., Louveau I., Causeur D. (2016). Molecular alterations induced by a high‐fat high‐fiber diet in porcine adipose tissues: variations according to the anatomical fat location. BMC Genomics 17: 120. doi: 10.1186/s12864‐016‐2438‐3

Abdou‐Arbi O., Lemosquet S., van Milgen J., Siegel A., Bourdon J. (2014). Exploring metabolism flexibility in complex organisms through quantitative study of precursor sets for system outputs. BMC Systems Biology 8:8. doi:10.1186/1752‐0509‐8‐8