Germain
TOPOLOGIE EN BIOLOGIE : DES PROCESSUS BIOCHIMIQUES ROBUSTES GRÂCE À LA PROTECTION TOPOLOGIQUE
La robustesse d’un système est définie par sa capacité à maintenir ses propriétés face à des perturbations. En mathématiques, une propriété est dite topologique si elle reste inchangée malgré les déformations continues de l’objet. Cependant, cette notion de topologie était jusqu’à présent restée limitée aux domaines de la physique quantique et de la théorie des cordes. Dans une étude publiée dans la revue Physical Review X, les scientifiques du Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization ont montré que la topologie pouvait également s’appliquer aux systèmes biochimiques et assurer la robustesse des processus biochimiques correspondants.
DES CYCLES DE BORDS PERSISTANTS GRÂCE À LA PROTECTION TOPOLOGIQUE
Le phénomène d’effet Hall quantique est caractérisé par des orbites cyclotroniques dans lesquelles les électrons se déplacent en cercles pour finalement se déplacer dans le sens inverse le long des bords de la matière. Les chercheurs ont comparé ce phénomène aux “cycles futiles” observés dans les systèmes biochimiques. Ils ont démontré que les courants de bord pouvaient se produire spontanément dans un réseau de réaction biochimique deux dimensions. Ces courants correspondent à des cycles d’oscillation sur lesquels tous les sous-unités d’un polymère sont ajoutées, puis retirées. Ils sont considérés comme des cycles futiles car ils nécessitent de l’énergie mais ne produisent pas de travail. En se basant sur les effets de protection topologique, les scientifiques ont montré que ces courants ne dépendaient pas de la forme du système, étaient robustes, et persistaient indépendamment de l’apparition de perturbations aléatoires.
UNE NOUVELLE CLASSE DE SYSTÈMES BIOCHIMIQUES
Les chercheurs ont établi un lien entre les systèmes biochimiques et une classe de systèmes quantiques non hermites, permettant ainsi d’utiliser l’ensemble des outils de la topologie quantique. Ils ont ainsi découvert que les courants de bord étaient liés à la nature hors équilibre des cycles futiles. Cette découverte ouvre la voie à de nombreuses applications dans les systèmes biochimiques complexes tels que les réseaux de régulation de la croissance, les systèmes circadiens ou encore la synchronisation spontanée entre les systèmes.
En intégrant la notion de protection topologique dans les systèmes biochimiques, les scientifiques du Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization ont ainsi confirmé que la topologie jouait un rôle clé dans la robustesse des processus biochimiques.
