Notre objectif principal est d’identifier les principes clés sous-jacents au développement des organismes en construisant des modèles mathématiques et computationnels basés sur des représentations explicites des formes. Pour ce faire, nous adoptons une approche de modélisation duale : des modèles conceptuels sont utilisés pour découvrir des principes d’auto-organisation, tandis que des modèles réalistes basés sur l’imagerie 3D servent à tester des hypothèses génétiques et physiques complexes in silico. L’équipe collabore étroitement avec plusieurs groupes de biologistes, partageant des questions biologiques et développant ensemble de nouvelles méthodes.

Bien que notre approche se concentre principalement sur le développement des plantes à différentes échelles, l’équipe MOSAIC étudie également la morphogenèse de systèmes animaux modèles, tels que les ascidies. Cette démarche permet une fertilisation croisée des approches et ouvre des perspectives pour identifier des abstractions et des principes applicables à la morphogenèse des formes vivantes en général. Nos travaux portent sur la manière dont les processus physiques et chimiques interagissent au sein du milieu défini par la forme et sur la façon dont ces processus influencent à leur tour son développement.
Plus précisément, nous cherchons à intégrer des composantes mécanistiques et stochastiques dans nos modèles pour rendre compte de la variabilité biologique dans le développement des formes.

Sur le plan technique, l’équipe explore et développe des concepts computationnels et mathématiques dans une grande variété de domaines, notamment l’algèbre des formes, les EDO/EDP, les systèmes dynamiques, les fractales, les processus stochastiques, la mécanique des milieux continus, la MEF, la théorie de l’information, la théorie des graphes, la géométrie computationnelle et les langages de programmation non conventionnels.

Notre programme de recherche s’organise autour de trois axes principaux :

Axe 1 : Représentation des formes biologiques in silico

• Modèles mathématiques et computationnels des formes
• Pipelines d’acquisition de données
• Atlas numériques du développement
• Langages déclaratifs pour la simulation de la morphogenèse

Axe 2 : Modèles basés sur les données pour la morphogénèse

• Modèles physiologiques et de patterning
• Modèles biophysiques du développement

Axe 3 : Plasticité et robustesse des formes

• Stabilité des formes versus variabilité des formes
• Modèles de développement réactifs à l’environnement

Principaux résultats

– Modèle stochastique de phyllotaxie : nous avons revisité le modèle déterministe classique de phyllotaxie pour intégrer une composante stochastique capable de refléter la nature stochastique des processus moléculaires sous-jacents à l’initiation des organes à l’extrémité des tiges des plantes. Ce modèle récapitule tous les modèles de spirale et de verticille expliqués par le modèle classique précédent et explique précisément les modèles de perturbation stochastiques observés récemment dans diverses plantes. Ce travail a été réalisé en collaboration avec le groupe Teva Vernoux (RDP - ENS Lyon).

– Rétroaction entre contraintes mécaniques et anisotropie tissulaire dans les tissus végétaux en croissance : Nous avons développé un modèle multi-échelle de réponse tissulaire aux contraintes mécaniques qui s’accumulent dans les tissus au cours du développement, basé sur une description réaliste des processus de remodelage de la paroi cellulaire.

– Destin cellulaire au cours du développement de l’embryon d’Ascidie : En collaboration avec le groupe de Patrick Lemaire (CRBM - Univ. Montpellier), nous avons développé un nouveau pipeline d’imagerie pour imager des séquences à haut débit du développement de l’embryon d’ascidie. Nous avons utilisé ces séquences à haute résolution spatiale et temporelle pour développer un modèle d’acquisition du destin cellulaire au niveau de l’embryon et pour montrer que les surfaces de contact entre les cellules sont des variables explicatives essentielles de l’induction différentielle dans les cellules d’ascidies.

– Software (Gnomon, Treex, TimageTK, LPy, BvPy...)  : L’équipe développe des logiciels et une plateforme de calcul pour analyser et simuler le développement des formes de vie en 3D.

Collaborateurs principaux

– Teva Vernoux (RDP)
– Benoit Landrein (RDP)
– Marie-Cécile Caillaud (RDP)
– Emmanuel Faure (LIRMM - Univ. Montpellier)
– Patrick Lemaire (CRBM - Univ. Montpellier)
– Grégoire Malandain (Morpheme - Inria Sophia Antipolis)
– Arezki Boudaoud (LadHyx - Ecole Polytechnique)
– Ibrahim Cheddadi (Université Grenoble Alpes)
– Frederic Boudon (CIRAD)
– Dražen Zanchi (Laboratoire MSC Paris)