Une analogie entre métabolisme et électricité suggère que la « loi des rendements décroissants » s’applique aux réseaux métaboliques de complexité quelconque
En économie, la « loi des rendements décroissants » nous dit que le gain de production résultant de l’augmentation progressive d’un facteur de production est de plus en plus faible à mesure que ce facteur augmente. Le même phénomène est souvent observé en biologie : lorsque la concentration ou l’activité d’un constituant cellulaire augmente, l’effet sur le phénotype est d’abord élevé, puis s’estompe petit à petit pour finalement atteindre un plateau. Si par exemple la concentration d’une enzyme dans une chaîne métabolique augmente à partir d’une valeur faible, le flux métabolique à travers cette chaîne croît d’abord rapidement, puis de moins en moins à mesure que la concentration de l’enzyme devient élevée. Mais ce type de réponse concave avec asymptote est-il valable pour des réseaux métaboliques de complexité quelconque, dont la topologie pourrait induire différents types de réponses ?
Pour répondre à cette question, M. Petrizzelli, C. Coton et D. de Vienne (IDEEV, GQE–Le Moulon, Université Paris-Saclay) ont eu recours à des développements mathématiques initialement conçus pour modéliser les courants dans les circuits électriques. Les réseaux d’échange de matière et/ou d’énergie (en biochimie, électricité, mécanique, hydraulique, thermodynamique, etc.) partagent en effet des propriétés communes qui se décrivent par des équations similaires. Cette approche leur a permis de montrer que la loi des rendements décroissants s’appliquait aux réseaux métaboliques quelle que soit leur topologie (Figure 1). Ce résultat a été démontré formellement pour les réseaux comportant des réactions de type A⇌B (réactions uni-uni), et des arguments indirects laissent penser que c’est également le cas lorsque les réseaux comportent des réactions de type A+B⇌P+Q (réactions bi-bi).
Cette généralisation contribue à éclairer l’origine des relations concaves fréquemment observées entre différents niveaux d’organisation du vivant, relations qui peuvent notamment rendre compte de la dominance des allèles les plus actifs sur les moins actifs, de la vigueur hybride et de l’épistasie.
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Contact : Dominique de Vienne