Une approche simplifiée fait la lumière sur les systèmes microbiens complexes
Les mathématiques nous aident à comprendre le monde qui nous entoure, en établissant des relations concrètes de cause à effet. Par exemple, une remise de 20 % sur votre réfrigérateur à 1 000 euros vous permet d’économiser 0,20*1000 = 200 euros. Les descriptions et les modèles mathématiques sont encore plus utiles aux scientifiques et aux ingénieurs qui s’efforcent de décrire des processus d’une incroyable complexité dans des domaines allant de la médecine et la science climatique, en passant par l’économie et la fabrication. Grâce au soutien du programme de bourses de recherche individuelles des Actions Marie Skłodowska-Curie (MSCA-IF), le projet DRAMATIC a développé des modèles mathématiques améliorés pour nous aider à mieux exploiter la puissance de la vie microbienne pour en retirer des avantages pour les personnes et l’environnement. Plus spécifiquement, Matthew Wade, occupant un poste de boursier mondial à l’Université de Newcastle, a intégré une théorie mathématique communément employée pour décrire des processus industriels dans des modèles de systèmes biologiques de synthèse (SBS).
La simplification des modèles facilite l’intégration de mathématiques avancées
Un SBS constitue tout processus biologique manipulé et géré à l’aide de principes d’ingénierie. Les stations d’épuration des eaux usées en sont un exemple commun. Actuellement, les perturbations, les défauts voire même l’échec des processus sont communément gérés sur la base de connaissances empiriques. Pour présenter une utilité, les modèles prédictifs doivent équilibrer les détails (susceptibles ou non d’améliorer la précision étant donné l’incertitude inhérente) avec le temps de calcul et la charge de calcul. En réduisant la complexité du modèle sans pour autant sacrifier la précision nécessaire, les scientifiques sont en mesure de générer des modèles adaptés à des analyses mathématiques rigoureuses.
On juge l’arbre à ses fruits
C’est précisément ce que Matthew Wade a réalisé. Comme il l’explique: «Les outils d’analyse mathématique, typiquement dans le domaine théorique, sont susceptibles d’être appliqués à des modèles simplifiés de SBS afin d’étudier la dynamique qualitative du système. Cela peut permettre d’identifier un comportement inattendu ou émergent, de guider les études expérimentales et d’optimiser les paramètres pour parvenir à un contrôle amélioré du processus.» La méthodologie de Matthew Wade peut ouvrir la voir à des modèles sur mesure plutôt que les simulateurs standard couramment utilisés, et limités par des jeux de paramètres fixes. Matthew Wade a développé une méthode pour effectuer une analyse de bifurcation pour l’étude de la désammonification, un processus efficient en énergie universellement employé pour le traitement des eaux usées riches en ammoniac. L’analyse de bifurcation décrit la manière dont le comportement à long terme prédit par le modèle change, à mesure que les paramètres de contrôle du modèle évoluent. Le code en accès ouvert et l’analyse de Matthew Wade ont permis de mieux comprendre la manière dont des paramètres de contrôles spécifiques étaient susceptibles d’étouffer la croissance d’organismes impactant de manière négative la performance du processus, en augmentant la demande en énergie et en carbone.
La qualité plutôt que la quantité
Bien que des hypothèses moins détaillées et simplifiées du modèle prédictif sous-jacent puissent réduire la précision quantitative, les informations qualitatives sont essentielles à la planification et à l’optimisation des processus de traitement biologique. Cela est particulièrement vrai dans un contexte où l’efficacité énergétique et des ressources constitue une priorité. En outre, bien souvent, il est possible d’étudier de manière analytique des modèles réduits en employant des descriptions généralisées pour la croissance microbienne, en générant potentiellement des informations encore plus significatives dans la mesure où les propriétés resteront les mêmes pour toutes les valeurs de paramètres. Matthew Wade conclut: «Les contraintes environnementales, économiques et sociales qui pèsent sur nos ressources en eau, en énergie et en nourriture sont de plus en plus fortes. Il est vital de s’assurer que les SBS liés à ces ressources soient non seulement optimisés, mais également résilients et flexibles pour accommoder les demandes à venir. Le projet DRAMATIC a démontré le rôle important et nécessaire des analyses mathématiques dans la compréhension et la gestion des SBS.»
Mots‑clés
DRAMATIC, modèle, mathématique, SBS, microbien, analyse de bifurcation, désammonification, systèmes biologiques de synthèse, eaux usées
