SYNBIOTIC

Systèmes biologiques de synthèse : de la conception à la compilation

Le projet de recherche SYNBIOTIC vise à développer des formalismes et des outils informatiques permettant de spécifier un comportement spatial global et de le compiler automatiquement à travers une tour de langages intermédiaires dans des processus locaux de régulation cellulaire (régulation génétique, métabolique, signalisation). La motivation finale est de permettre l’exploitation des propriétés collectives d’une population bactérienne pour créer des biosystèmes artificiels répondant à divers besoins dans le domaine de la santé, des nanotechnologies, de l’énergie et de la chimie. Ce projet s’inscrit dans le domaine des langages de programmation non conventionnels et de l’analyse de propriétés des systèmes dynamique; à l’interface de l’informatique et de l’ingénierie biologique. Il s’appuie sur les avancées de la biologie synthétique, les progrès réalisés dans la modélisation et la simulation de processus biologiques complexes, et sur le développement de nouvelles approches de la programmation permettant de faire face à de nouvelles classes d’application caractérisées par l’émergence d’un comportement global dans une grande population d’entités irrégulièrement et dynamiquement connectées (le calcul amorphe et le calcul autonome). La biologie synthétique est un domaine scientifique émergent qui désigne la conception et la fabrication banalisée et standardisée de composants et de systèmes biologiques qui n’ont pas de correspondant naturels. Par delà les problèmes d’ingénierie génétique, qui nécessitent le développement d’outils informatiques dédiés, les informaticiens retrouvent dans cette problématique des problèmes similaires à ceux de la conception de systèmes (circuits électroniques ou grands systèmes logiciels). Ils peuvent donc y apporter et adapter les méthodes et les outils qu’ils ont déjà développés dans ces domaines. Alors que la plupart des études dans ce domaine cherchent à concevoir, caractériser et valider des composants biologiques élémentaires réutilisables (BioBrick), notre projet se positionne en amont de cette étape en adressant essentiellement les problèmes de conception. Notre objectif est d’adresser l’étape suivante consistant à concevoir de grand système par une approche langage, similaire dans sa démarche aux méthode de conception et de synthèse des architectures matérielles. Notre stratégie est de développer une tour de langages, chaque langage adressant une spécificité propre et compilant ses constructions propres vers le langage de niveau inférieur jusqu’à la séquence génétique finale. Cette approche permet de combler le fossé existant entre la description aisée d’un système au niveau d’abstraction pertinent pour l’application et la prise en compte de tous les détails de son implantation par des processus physiques. L’artefact biologique produit par cette chaîne de compilation doit être validé avant d’être synthétisé. La validation se fait par simulation et par des méthodes de vérification de systèmes afin de garantir la sûreté et la sécurité des artefacts biologiques synthétisés. Ces dernières s’appuieront sur les techniques de modélisation informatique des processus biologiques développées dans le domaine de la biologie intégrative (algèbre de processus, réseau d’automates, réseau de Petri, théorie des jeux). Elles permettent d’utiliser des méthodes exhibant des propriétés invariantes ou de model-checking pour prouver a priori certaines propriétés du système. Cette approche langage de la biologie synthétique se concrétisera par un environnement qui sera validé par le développement d’applications tests dans le domaine de la morphogenèse. Outre son intérêt fondamental dans le domaine de la biologie, ces applications ouvrent la porte à la construction de nano-objets biologiques.

• Début: 03/11/2010
• Durée: 48 mois
• Partenaires: CREA, ISC, IBISC, LACL
• Coordinateur du projet IBISC: Franck DELAPLACE (PR)
• Site WEB du projet
• Site Web du projet dans l’ANR