A possible circular RNA at the origin of life

2012

Acta Biotheor

Many apparently complex mechanisms in biology, especially in embryology and molecular biology, can be explained easily by reasoning at the level of the "efficient cause" of the observed phenomenology: the mechanism can then be explained by a simple geometrical argument or a variational principle, leading to the solution of an optimization problem, for example, via the co-existence of a minimization and a maximization problem (a min-max principle). Passing from a microscopic (or cellular) level (optimal min-max solution of the simple mechanistic system) to the macroscopic level often involves an averaging effect (linked to the repetition of a large number of such microscopic systems with possible random choice of the parameters of each of them) that gives birth to a global functional feature (e.g. at the tissue level). We will illustrate these general principles by building in four different domains of application "a minima" models and showing the main properties of their solutions: (1) extraction of a minimal RNA structure functioning as the first "peptidic machine," a kind of ancestral ribosome; (2) study of a genetic regulatory network of Drosophila centred on Engrailed gene and expressing successively two genes inside a limit cycle; (3) study of a genetic network regulating neural activity and proliferation in mammals; and (4) study of a simple geometric model of epiboly in zebrafish.

Section: The Genetic Code As Optimizing Some Variational Principlesmentioning

confidence: 96%

Predictive Power of “A Minima” Models in Biology

Almeida

2012

Acta Biotheor

“…These duplication steps could take place on the timescale of hours (Vogel et al 2005) giving support to the theory that RNA spontaneously replicated during prebiotic evolution. Let us suppose now that the initial RNA template strands polymerized by chance in the prebiotic RNA world were circular with nucleotidic sequences similar to those of a remarkable RNA ring called Archetypal Loop AL and studied in (Demongeot and Moreira 2007): this RNA ring offers weak interaction sites (electrostatic at short distance and van der Waals at mean distance) for any polar (hydrophilic) or unpolar (hydrophobic) aminoacid present in the prebiotic medium. ''The most obvious function of RNA today is to serve as a structural element that assists in the formation of strong peptidic bonds between amino acids in the synthesis of proteins.…”

Section: Proto-cell Boundarymentioning

confidence: 99%

Biological Boundaries and Biological Age

2009

Acta Biotheor

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The chronologic age classically used in demography is often unable to give useful information about which exact stage in development or aging processes has reached an organism. Hence, we propose here to explain in some applications for what reason the chronologic age fails in explaining totally the observed state of an organism, which leads to propose a new notion, the biological age. This biological age is essentially determined by the number of divisions before the Hayflick's limit the tissue or mitochondrion in a critical organ (in the sense where its loss causes the death of the whole organism) has already used for its development and adult phases. We give a precise definition of the biological age of an organ based on the Hayflick's limit of its cells and we introduce a desynchronization index (the cell entropy) for some critical tissues or membranes, which are mainly skin, intestinal endothelium, alveoli epithelium and mitochondrial inner membrane. In these actively metabolising interface tissues or membranes, there is a rapid turnover of cells, of their cytoplasmic constituents such as proteins, and of membrane lipids. The boundaries corresponding to these tissues, cells or membranes have vital functions of interface with the environment (protection, homeothermy, nutrition and respiration) and have a rapid turnover (the total cell renewal time is in mice equal to 3 weeks for the skin, 1.5 day for the intestine, 4 months for the alveolae and 11 days for mitochondrial inner membrane) conditioning their biological age. The biological age of a tissue is made of two major components: (1) first, its embryonic age based on the distance (in number of divisions) between the birth date of its first differentiated cell and the time until it reaches its final boundary at the end of its development and (2) second, its adult age whose complement until its death is just the lapse of time made of the sum of remaining cell cycle durations authorized by its Hayflick's limit. From this definition, we calculate the global biological lifespan of an organism and revisit notions like demographic survival curves, duration and synchrony of cell cycles, living boundaries from proto-cells to organs, and embryonic and adult phases duration.

“…Ces attracteurs doivent être très robustes [8] pour résister aux perturbations de l'environnement sur l'architecture des interactions (à laquelle les attracteurs sont très sensibles), par exemple par intervention de microARN, souvent issus d'agents infectieux intervenant au cours de l'évolution des espèces concernées [9,10]. Cette robustesse devient vitale lorsque la morphogenèse concerne un organe dont la fonction est critique pour la survie, par exemple la maintenance mitochondriale de l'intégrité respiratoire cellulaire [11] ou le contrôle de la morphogenèse par des facteurs de transcription [12].…”

Section: Les Systèmes Dynamiques Et Les Systèmes Complexesunclassified

Biologie des systèmes et applications médicales

2009

Med Sci (Paris)

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L'évolution actuelle de la médecine moderne vers une médecine des « 4P », c'est-à-dire personnalisée, pré-ventive, plurielle (pluri-experte) et prédictive, passe par la mise en place d'un référentiel commun, à la fois référentiel temporel, mettant en correspondance le chronos des instruments d'observation, le kairos du temps biologique du malade et l'aion de la réflexion médicale (aion ou dasein, temps immanent, substrat de la psyché d'Aristote), mais également référentiel systémique, décrivant les différents systèmes impliqués dans une pathologie, dans la dynamique de leurs interactions, et enfin référentiel cognitif, inscrivant les différents savoirs médicaux (savoir encyclopédique d'une université médicale virtuelle, savoir statistique de bases de données patients et savoir expert de spé-cialistes) dans un même gisement, distribué et partagé, de connaissances en santé. Ce défi (harmoniser temps, systèmes et savoirs), la médecine moderne doit le relever, et munie de ce référentiel commun, elle pourra satisfaisaire à la fois les exigences d'atteinte du bien-être individuel de Panacea et du bon état sanitaire collectif d'Hygeia, les deux déesses grecques de la santé. Nous donnerons, dans la suite, des exemples qui s'inscrivent dans le paradigme des systèmes dynamiques complexes, cumulant les difficultés liées aux changements d'échelle et de temps, mais permettant d'interpréter, dans une méthodologie dite « biologie des systèmes », les comportements émergents de la morphogenèse physiologique dont la connaissance des mécanismes est indispensable à la compréhension de la dysgenèse pathologique. La temporalité de l'observation médicaleLa temporalité de l'observation médicale est essentiellement liée à la perception différentielle du temps par le patient et par le thérapeute. Le temps est en effet figé dans la médecine classique hippocratique qui observe le patient à travers le filtre du chronos (temps régulier d'une chronique). Hippocrate de Chios (460-370 av. J.-C.) fonda une école médicale à Epidaure (Figure 1) et remarqua qu'une maladie ne se déclarait pas brusquement, mais passait par différentes phases, aboutissant à une période dangereuse : la « crise ». Il nota que, dans l'évo-lution des maladies, surtout celles associées à une fièvre, les quatrième, onzième, quatorzième et vingtième jours étaient des jours particulièrement à risque de « crise ». Hérophile d'Alexandrie (331-250 av. J.-C.), éduqué par Praxagoras à Cos, a introduit le premier une notion du temps non chronologique, celle du kairos (temps opportun où un patient délivre un symptôme et consulte, et où un médecin l'observe), lié aux perceptions qu'a le malade de sa propre maladie et à la succession des sympômes qui en découle. Il travailla à Alexandrie sous Ptolémée I Soter (323-283) et Ptolémée II Philadelphe (283-246) et fut le premier à prendre conscience de la pulsation artérielle > Nous proposons, dans cet article, des exemples d'applications médicales de la biologie des systèmes, en rappelant d'abord la problématique temporelle de l'observatio...