Les molécules peuvent-elles vraiment se rappeler comment se former en structures ?

Parfois, entendre quelques notes d’une chanson suffit à nous ramener dans le temps, à un moment depuis longtemps oublié. Nos cerveaux sont en effet en mesure de reconstruire des souvenirs entiers à partir de petits fragments. Comment cela fonctionne-t-il ?

Le cerveau humain est composé de milliards de neurones qui travaillent collectivement. Les neurones sont comme les briques de la pensée, et chacun peut servir à plusieurs fins. Par exemple, différents souvenirs sont codés par différents motifs d’activité au sein des mêmes neurones. Le processus est similaire à la façon dont l’écran de votre smartphone peut afficher différentes images en utilisant les mêmes pixels, ou comment les mêmes blocs LEGO peuvent être utilisés pour construire différents objets.

La recherche sur les neurones

La façon dont les neurones accomplissent cela a été un domaine de recherche en rapide développement ces dernières décennies, et des modèles sophistiqués de réseaux neuronaux sont maintenant courants dans les ordinateurs numériques.

Étonnamment, ce type de calcul n’est pas unique aux neurones : les mêmes principes de calcul peuvent se produire dans d’autres processus biologiques et même purement physiques.

Une nouvelle étude

Une nouvelle étude menée par des chercheurs du Caltech, de l’Université de Chicago et de l’Université de Maynooth en Irlande a démontré comment les capacités similaires à celles des réseaux neuronaux sont intrinsèques à la dynamique naturelle des molécules lorsqu’elles s’auto-assemblent en structures. Le phénomène est analogue à la façon dont les neurones travaillent ensemble pour rappeler et réassembler les souvenirs, et peut donc être considéré comme une forme de «rappel associatif».

Le processus d’auto-assemblage

Pour comprendre ce qui se passe dans ce tube à essai rempli de molécules, imaginez une grande piscine contenant des centaines de pièces de LEGO. Les pièces de LEGO peuvent être assemblées de différentes manières, vous permettant de créer une voiture, un château ou une chenille, le tout à partir des mêmes blocs de construction.

L’idée de comment l’auto-assemblage réalise le rappel associatif est la suivante : si vous donnez au mélange de la piscine une ‘graine’ d’un design – disons, quelques pièces déjà assemblées pour créer une roue et un pare-brise – le reste des composants pourrait-il s’assembler lui-même pour produire le produit final souhaité (dans ce cas, une voiture) ? C’est un exemple d’un processus réussi de rappel associatif.

Les résultats de l’étude

Dans cette étude, l’équipe a conçu 917 molécules différentes, ou «tuiles moléculaires», qui sont capables de se combiner pour former trois formes bidimensionnelles différentes : les lettres H, A, ou M. L’équipe a mis trois billions de ces molécules, avec des quantités relativement égales de chacune des 917 variations, dans un tube à essai et a observé que les pièces s’auto-assemblaient effectivement pour former de nombreux petits H, A et M. Bien que certaines des lettres ne se soient formées que partiellement, il n’y avait pas d’hybrides accidentels de deux ou trois lettres. C’était une première découverte importante de l’étude.

L’avenir de la recherche

Le projet s’appuie sur plusieurs décennies de travail dans le laboratoire de Winfree. « Ce qui est excitant dans la nanotechnologie de l’ADN, c’est que c’est vraiment la seule technologie de conception moléculaire aujourd’hui qui permet d’investiguer des théories sophistiquées de calcul moléculaire dans la limite de grand N – ici presque mille types différents de molécules travaillant toutes ensemble », précise Constantine Evans, auteur principal de l’étude.

En synthèse

La recherche sur la façon dont les neurones codent les souvenirs a conduit à une découverte fascinante : les molécules peuvent également s’auto-assembler en structures de manière similaire à un réseau neuronal. Cette étude a démontré que les molécules peuvent s’auto-assembler pour former des structures spécifiques, un processus qui peut être considéré comme une forme de «rappel associatif».

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que le rappel associatif ?

Le rappel associatif est un processus par lequel les souvenirs sont rappelés. Dans le contexte de cette étude, il se réfère à la façon dont les molécules peuvent s’auto-assembler pour former des structures spécifiques, un processus similaire à la façon dont les neurones travaillent ensemble pour rappeler et réassembler les souvenirs.

Qu’est-ce qu’un réseau neuronal ?

Un réseau neuronal est un ensemble de neurones interconnectés qui travaillent ensemble pour traiter l’information. Dans le cerveau humain, les réseaux neuronaux sont responsables de nombreuses fonctions, y compris le codage des souvenirs.

Qu’est-ce que l’auto-assemblage ?

L’auto-assemblage est un processus par lequel les molécules se combinent pour former des structures complexes sans intervention extérieure. Dans cette étude, les chercheurs ont observé que les molécules peuvent s’auto-assembler pour former des structures spécifiques, un processus similaire à la façon dont les neurones travaillent ensemble pour rappeler et réassembler les souvenirs.

Quelles sont les implications de cette étude ?

Cette étude pourrait avoir des implications significatives pour la compréhension de la façon dont les souvenirs sont codés et rappelés. Elle pourrait également ouvrir la voie à de nouvelles avancées dans le domaine de la nanotechnologie.

Quelle est la prochaine étape dans cette recherche ?

Les chercheurs prévoient de poursuivre leurs travaux en explorant d’autres types de processus biomoléculaires, tels que les condensats à plusieurs composants et les réseaux de régulation génétique.

Références

Légende illustration : Les tuiles moléculaires d’une solution s’auto-assemblent en trois formes – H, A ou M – en fonction des concentrations de tuiles communes formant une « graine » ou un point de nucléation d’une certaine forme. Credit: Olivier Wyart

« Pattern recognition in the nucleation kinetics of non-equilibrium self-assembly. » Outre Evans, Murugan et Winfree, Jackson O’Brien, de l’université de Chicago, est coauteur. Le financement a été assuré par la National Science Foundation, la Evans Foundation for Molecular Medicine, le Conseil européen de la recherche, la Science Foundation Ireland et le Carver Mead New Adventures Fund.