Information dans les systèmes vivants – Mécanismes multi-échelles de génération, stockage et transmission au-delà du génome

Les systèmes vivants déploient des réseaux informationnels sophistiqués au-delà du code génétique et de l’épigénétique, orchestrant adaptation et évolution par des mécanismes opérant depuis l’échelle moléculaire et cellulaire jusqu’au niveau des populations. Ces architectures informationnelles biologiques, fondées sur des processus distribués, parallèles et adaptatifs, révèlent des paradigmes de calcul bio-inspirés dont les principes fondamentaux restent largement à élucider. A l’échelle moléculaire et cellulaire les questions portent, entre autres, sur le contrôle chimique du dialogue et le contrôle des vecteurs d’information chimique ; les biomolécules et le biomimétisme, les fonctionnalités d’assemblages synthétiques (cellules artificielles) ; ou encore sur l’implication des propriétés physiques des constituants cellulaires.

Cet appel vise à décrypter les mécanismes mis en œuvre dans la génération, le stockage et la transmission de cette information jusqu’à la façon dont elle participe à l’évolution des systèmes vivants et s’en trouve elle-même modifiée.  On pourra citer comme exemple l’organisation spatiale du cytoplasme comme vecteur informationnel crucial. Les gradients de concentration, les condensats biomoléculaires sans membrane et l’architecture du cytosquelette créent des domaines fonctionnels qui polarisent la réponse cellulaire. À l’échelle tissulaire, la communication intercellulaire s’effectue par des signaux chimiques (hormones, neurotransmetteurs), mécaniques (contraintes physiques) et électriques qui synchronisent les réponses cellulaires. Au niveau de l’organisme, des informations intra-organes peuvent engendrer une source de signaux adaptatifs. Au niveau des populations, l’information comportementale se propage par des signaux spécifiques, par la sensibilité individuelle, et par la structure sociale qui favorisent la diffusion rapide et coordonnée des réponses collectives. Par ailleurs, l’apprentissage social est susceptible de créer des traditions culturelles chez de nombreuses espèces.

Ces mécanismes de stockage et de transmission informationnels, au-delà de ceux impliquant le génome, constituent des systèmes adaptatifs sophistiqués qui permettent aux organismes de répondre rapidement aux variations environnementales et de transmettre des réponses modulant les réactions physiologiques. Leur modélisation mathématique et numérique génère des verrous, non seulement en lien avec la nature des données disponibles (hétérogénéité, lacunes dans les données) mais aussi (et surtout) en lien avec la formalisation de lois génériques qui gouvernent la transmission de l’information dans le vivant. En ce sens, les mécanismes de stockage et transmission deviennent des inspirations pour de nouveaux formalismes de calcul bioinspiré (moléculaire, neuromorphique…).

Les projets attendus devront adopter des approches interdisciplinaires pouvant associer notamment biologie, chimie, écologie quantitative, physique statistique, sciences informatiques et mathématiques appliquées (incluant par exemple l’analyse topologique des données et la modélisation multi-échelles). L’objectif est de révéler les principes organisateurs de ces systèmes informationnels vivants, d’identifier les invariants computationnels susceptibles d’inspirer de nouveaux paradigmes de calcul, de communication et d’adaptation artificielle.