Une cascade de signalisation cellulaire équilibre la transmission d’informations et la consommation d’énergie, selon une étude

La transmission du signal cellulaire n’est pas seulement optimisée pour la précision, elle inclut également un plafond de coûts. La relation entre l’information et l’énergie, un concept bien établi en physique et en génie, est susceptible de façonner fondamentalement les réseaux de signalisation cellulaire. L’une des questions posées par les chercheurs de l’Institut Max Planck de microbiologie terrestre, dirigée par le biophysicien Victor Sourjik, est la suivante: qu’est-ce qui permet une transmission fiable des signaux dans l’environnement cellulaire « bruyant »? L’équipe de recherche étudie la transmission du signal dans la levure de boulanger (Saccharomyces cerevisiae), combinant des approches théoriques de l’information avec des expériences quantitatives.

Une signalisation précise est cruciale pour la forme physique de chaque organisme vivant: que ce soit pendant le développement ou lors de la communication avec un éventuel partenaire d’accouplement, seule une transmission précise des signaux reçus permet aux cellules de déclencher des réponses appropriées. Dans les systèmes biologiques, les fluctuations aléatoires des signaux conduisent toujours à un bruit de fond, ce qui peut entraver la communication cellulaire. Les organismes doivent donc avoir développé des stratégies pour améliorer la précision de la transmission du signal en présence de telles interférences. Cependant, on sait encore peu de choses sur la manière dont la suppression du bruit est obtenue dans les réseaux cellulaires.

La voie de signalisation des phéromones de la levure de boulangerie appartient à une classe de voies de signalisation MAPK (protéine kinase activée par un mitogène) qui, chez les eucaryotes, jouent généralement un rôle clé dans la transmission et la traduction des stimuli extracellulaires en réponses intracellulaires telles que la différenciation cellulaire, la prolifération ou le stress réponses.

Le fait que la voie de signalisation des phéromones de la levure contienne des réglementations de rétroaction négative pourrait être considéré comme une indication claire de la sélection pour une précision accrue. De façon surprenante, cependant, les analyses théoriques et expérimentales de la voie de signalisation ont montré que sa précision pouvait être facilement améliorée en augmentant la sensibilité de l’une des rétroactions négatives. Alors, pourquoi cet écart entre l’hypothèse potentiellement plus efficace et la conception naturelle? En d’autres termes, pourquoi la levure n’a-t-elle pas naturellement optimisé le système de cette façon?

Coûts contre avantages

La réponse semble résider dans l’économie cellulaire. L’écart disparaît lorsque l’investissement énergétique dans le fonctionnement de la voie de signalisation est également pris en compte. «Nous avons pu montrer que le cœur de la voie de signalisation MAPK, le cycle de phosphorylation, a des coûts de fitness mesurables. Lorsque ceux-ci sont pris en compte et que la précision de la transduction du signal est mise en balance avec les coûts énergétiques du fonctionnement de la voie de signalisation, la conception naturellement observée semble optimale », explique Alexander Anders, premier auteur de la publication actuelle.

« On observe ici une relation entre information et énergie, analogue à ce qui est bien établi en physique et en sciences de l’ingénieur. » dit Victor Sourjik. « En biologie, peu d’attention a été accordée à ce jour jusqu’à présent. Nos travaux suggèrent que le compromis coût-bénéfice dans le transfert d’informations doit avoir été important dans l’évolution des systèmes de signalisation cellulaire. Cela nous aide à mieux comprendre l’optimisation évolutive de réseaux de signalisation cellulaires.  » La manière dont la biologie a résolu ce dilemme fondamental des coûts de l’information dans d’autres cas reste à élucider.