En tournant lentement le bouton de réglage d'un vieux poste de radio, vous entendez le son émerger du bruit non pas progressivement, mais par un saut brusque, au moment où l'antenne entre en résonance avec l'onde. C'est à peu près ainsi que se comportent les gènes dans une cellule vivante. Ils ne fonctionnent pas comme un robinet qui coule en continu, mais comme un interrupteur à deux positions : « silencieux » et « en émission ». Et ces bascules sont aléatoires.
La protéine est le principal matériau de construction et l'outil de travail de la cellule. Sa production se déroule en trois étapes. D'abord, le gène est activé — l'interrupteur bascule en position « marche ». Ensuite, une matrice est transcrite à partir du gène (une molécule qui sert d'instruction pour l'assemblage). Puis, à partir de cette matrice, la protéine elle-même est assemblée. À chaque étape, des ratés peuvent survenir. La matrice peut se dégrader prématurément, l'assemblage peut se bloquer. C'est pourquoi deux cellules ayant les mêmes gènes reçoivent souvent des quantités différentes de protéines, comme deux postes de radio identiques qui captent le signal avec des qualités différentes.
Décrire mathématiquement un tel processus en trois étapes n'est pas simple. Des formules exactes n'existent que pour les valeurs moyennes — la quantité moyenne de protéines. Mais la distribution, c'est-à-dire la probabilité d'obtenir telle ou telle quantité, résistait jusqu'ici. Les auteurs de ce nouveau travail ont utilisé une astuce ingénieuse : ils ont remarqué que les événements aléatoires dans le temps peuvent être réorganisés, comme on bat un jeu de cartes. Si l'on regarde les moments d'activation du gène non pas selon l'horloge murale, mais selon le nombre d'événements déjà survenus, le modèle complexe se transforme en un modèle plus simple.
Cela a permis de dériver deux formules approximatives. Elles fonctionnent là où il y avait auparavant un vide — dans les régimes intermédiaires, lorsque le gène n'est ni trop actif ni trop paresseux. Les formules ont été testées par des simulations informatiques et ont donné une excellente concordance. Désormais, les biologistes peuvent prédire à quel point les protéines seront dispersées dans les cellules sans résoudre de lourdes équations.
Ainsi, les mathématiques aident à entendre, dans le chaos apparent de la cellule, un rythme familier. Ce qui semblait être un grésillement désordonné d'un vieux poste s'est révélé être un signal que l'on peut déchiffrer. Et maintenant, nous en avons la clé.
Dans une seule cellule d'Escherichia coli, environ trois millions de molécules de protéines sont actives simultanément, et chaque seconde, leur composition se renouvelle de plusieurs dizaines de milliers.
Dans le roman « La musique de l'ADN » de Greg Bear, le code génétique est comparé à une symphonie où les notes sont les nucléotides et le bruit de l'expression est l'improvisation des interprètes.