La dynamique oscillatoire dans les processus biologiques fondamentaux, tels que les horloges circadiennes, la segmentation et les réponses des facteurs de transcription, nécessite un contrôle quantitatif précis pour une régulation cellulaire appropriée et des décisions sur le sort.
De nombreux oscillateurs biologiques sont influencés par de multiples signaux oscillatoires et leur comportement est compris à travers le cadre des langues d’Arnold. Cependant, cette approche simplifie la situation à un seul signal externe et un oscillateur interne, ce qui simplifie à l’extrême les systèmes biologiques réels. Notre compréhension de la façon dont un oscillateur répond à deux ou plusieurs signaux oscillatoires externes est actuellement insuffisante.
Maintenant, une équipe de recherche conjointe de l’Institut de technologie avancée de Shenzhen (SIAT) de l’Académie chinoise des sciences et de l’Institut Niels Bohr de l’Université de Copenhague a construit un système oscillatoire synthétique dans la levure qui peut répondre à des signaux oscillatoires doubles. En intégrant étroitement l’expérience et la modélisation mathématique, les chercheurs ont révélé l’effet coopératif de plusieurs signaux oscillatoires et le phénomène unique de régulation de phase qui leur est associé. Ces résultats suggèrent une nouvelle voie pour contrôler la dynamique oscillatoire dans les systèmes biologiques naturels et synthétiques.
Ce travail a été publié dans Systèmes cellulaires le 17 mai.
Dans cette étude, les chercheurs ont modifié un oscillateur synthétique précédemment construit dans la levure pour acquérir un oscillateur à double réponse. Ils ont validé que le système pouvait être synchronisé à la fois par le facteur α périodique et l’éthanol, représentant ainsi un système oscillatoire tri-couplé. Un modèle mathématique a également été dérivé pour ajuster les paramètres et prédire les résultats.
En utilisant ces méthodes, les chercheurs ont découvert que deux signaux oscillatoires ensemble pouvaient agrandir considérablement la région d’entraînement, augmenter le rapport des cellules synchronisées et retarder l’apparition du chaos. Ces résultats suggèrent que les deux signaux oscillatoires ne se combinent pas linéairement, mais coopèrent pour stabiliser la synchronisation.
« Je n’avais jamais entendu parler d’un phénomène aussi surprenant auparavant et il est assez intéressant qu’il soit dévoilé dans un contexte biologique. De plus, la preuve de ce phénomène est apportée à la fois théoriquement et expérimentalement, à l’aide d’un circuit synthétique, ce qui est un tour de force impressionnant. « , a déclaré l’un des relecteurs anonymes de l’article.
De plus, les chercheurs ont découvert que la différence de phase entre les deux signaux oscillatoires externes était un paramètre critique pour la dynamique de l’oscillateur interne. En ajustant cette différence de phase, on peut affiner l’amplitude d’oscillation interne tandis que la fréquence d’oscillation reste constante. Il est en outre révélé que la différence de phase optimale est étroitement liée à la différence de phase naturelle entre les différents composants du système en condition d’oscillation libre.
En tant que validation finale du mécanisme de régulation de phase, les chercheurs ont étudié si le réglage de la différence de phase entre les signaux oscillatoires pouvait affecter la transcription des gènes en aval. Malgré l’existence de bruit, ils ont découvert que le niveau d’expression des gènes était en effet significativement affecté par la modulation de phase, qui était en outre liée à différentes amplitudes de l’oscillateur interne.
Notre nouveau système de signalisation cellulaire synthétique, associé à la modélisation mathématique, constitue une plate-forme puissante pour étudier des problèmes biologiques aussi complexes. Les résultats présentés ici ont élargi notre compréhension générale des oscillateurs couplés biologiques et ont souligné l’importance d’un schéma temporel correct dans la régulation biologique. Nous espérons que ces découvertes pourront inspirer des scientifiques de disciplines beaucoup plus larges. »
Prof. Wei Ping, co-auteur correspondant de l’étude
