Modelling the effects of long-range forces in biological systems to better understand the global behaviour of molecular interactions - Équipe Systèmes dynamiques : théories et applications Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2020

Modelling the effects of long-range forces in biological systems to better understand the global behaviour of molecular interactions

Modélisation des effets des forces à longue portée dans les systèmes biologiques afin de mieux comprendre le comportement global des interactions moléculaires

Résumé

Our understanding of a biological process is often held back by the entanglement of interactions at its basis, since the relation between these local connections and the process as a whole appears blurred froma top-down perspective. To use the words of Aristotle in the “Metaphysics”: “In the case of all things which have several parts and in which the totality is not, as it were, a mere heap, but the whole is something beside the parts, there is a cause” [5]. The actual effect of this cause on the “whole thing” remains hidden when investigated through a reductionist approach. By taking a complex system apart recursively to its smallest component, we can certainly gain relevant knowledge about each accounted structure, but the behaviour of the system is understandable only in terms of its global properties [39, 60]. In this way, sophisticated biological functions arise as new entities, by eclipsing the simple local rules through which the basic components interact. In this manuscript, we analyse the behaviour characterising biologicalmacromolecules, from the steps that lead them to reach their three-dimensional conformations, to the way they interact with one another. We exploit an algebraic modelling approach to provide a formal definition of the local interactions characterising the nucleotides in RNAmolecules and the amino acids in the polypeptide sequence of proteins; identifying their collective properties in the expression of a fully functional macromolecule brings out congruences and dissimilarities, which can in some cases be associated with genetic pathologies. We also investigate the global behaviour of the long-distance electrodynamic interactions in metabolic pathways through a specifically designed agent-based paradigm. The core idea of our work is to show how algebraic and agent-based approaches are highly suitable to uncover complex phenomena in biological processes and give a new light in the interpretation of biological systems and genetic diseases. In the following sections, we provide a brief overview and contextualisation of the topics addressed in the rest of this manuscript. This is structured in two main parts; the first one focusses on the algebraic models of RNAs and proteins, while the second part provides a description of our agent-based studies on biomolecular interactions. Although these two approaches can be connected to each other (as shown in Chapter 5), we separate them to allow the reader to clearly identify the work carried out mainly in the context of the University of Camerino (Part 1) and the one that is the result of the collaboration with the Aix-Marseilles University (Part 2).
Notre compréhension d'un processus biologique est souvent freinée par l'enchevêtrement des interactions à sa base, puisque la relation entre ces connexions locales et le processus dans son ensemble apparaît floue d'un point de vue descendant. Pour reprendre les mots d'Aristote dans la « Métaphysique » : « Dans la cas de toutes les choses qui ont plusieurs parties et dont la totalité n'est pas, pour ainsi dire, un simple tas, mais le tout est quelque chose à côté des parties, il y a une cause » [5]. L'effet réel de cette cause sur le « tout » reste caché lorsqu'il est étudié à travers une approche réductionniste. En séparant récursivement un système complexe jusqu'à sa plus petite composante, nous pouvons certainement gagner connaissances pertinentes sur chaque structure comptabilisée, mais le comportement du système est compréhensible uniquement en termes de ses propriétés globales [39, 60]. De cette façon, une biologie sophistiquée les fonctions surgissent comme de nouvelles entités, en éclipsant les simples règles locales à travers lesquelles les les composants interagissent. Dans ce manuscrit, nous analysons le comportement caractérisant les macromolécules biologiques, de les étapes qui les amènent à atteindre leurs conformations tridimensionnelles, à la façon dont ils interagissent avec une autre. Nous exploitons une approche de modélisation algébrique pour fournir une définition formelle des interactions locales caractérisant les nucléotides dans les molécules d'ARN et les acides aminés dans le polypeptide séquence de protéines; identifiant leurs propriétés collectives dans l'expression d'un macromolécule fait apparaître des congruences et des dissemblances, qui peuvent dans certains cas être associées avec des pathologies génétiques. Nous étudions également le comportement global de la longue distance interactions électrodynamiques dans les voies métaboliques grâce à un agent spécialement conçu paradigme. L'idée centrale de notre travail est de montrer à quel point les approches algébriques et multi-agents sont hautement apte à découvrir des phénomènes complexes dans les processus biologiques et à donner un nouvel éclairage à la interprétation des systèmes biologiques et des maladies génétiques. Dans les sections suivantes, nous fournissons un bref aperçu et une contextualisation des sujets abordés dans le reste de ce manuscrit. Celui-ci est structuré en deux parties principales ; le premier se concentre sur les modèles algébriques des ARN et des protéines, tandis que la deuxième partie décrit nos études à base d'agents sur les interactions biomoléculaires. Bien que ces deux approches puissent être connectées l'une à l'autre (comme le montre le chapitre 5), nous les séparer pour permettre au lecteur d'identifier clairement les travaux effectués principalement dans le cadre de l'Université de Camerino (Partie 1) et celle qui est le résultat de la collaboration avec le Aix-Marseille Université (Partie 2).
Fichier principal
Vignette du fichier
Stefano_Maestri-Thesis_draft_0.8.pdf (16.52 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03598318 , version 1 (04-03-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03598318 , version 1

Citer

Stefano Maestri. Modelling the effects of long-range forces in biological systems to better understand the global behaviour of molecular interactions. Physics [physics]. Aix-Marseille Université (AMU); School of Computer Science, University of Camerino, Italy; Centre de Physique Théorique - UMR 7332, 2020. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03598318⟩
60 Consultations
3 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More