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La phéomélanine a-t-elle une fonction biologique utile ?


La mélanine est un pigment naturel classé en deux formes principales, l'eumélanine et la phéomélanine. Il est bien documenté dans la littérature scientifique que l'augmentation des niveaux d'eumélanine réduit le risque de développer un cancer de la peau, alors qu'il a été récemment rapporté dans Nature que la phéomélanine peut elle-même être cancérigène. Alors ma question est :

La phéomélanine a-t-elle une fonction biologique utile ?


Je ne pense pas que le rôle de la phéomélanine soit encore connu. Pour en produire de plus grandes quantités, vous avez principalement besoin de deux conditions : une signalisation MC1R faible (ou absente) et la disponibilité de l'acide aminé cystéine. Si la signalisation MC1R est forte, la voie préférée va dans la direction de l'eumélanine. Il est connu depuis un certain temps que la phéomélanine produit des espèces réactives de l'oxygène qui causent directement des dommages à l'ADN ou le font indirectement en utilisant le stockage cellulaire d'antioxydants. Vous pouvez trouver plus de détails dans cette revue ainsi que des liens vers un certain nombre d'articles originaux.


D'après ce que j'ai compris, il aide à absorber le soleil dans la peau, en particulier dans les zones peu ensoleillées/couvertes. Je n'ai pas de source sous la main, mais cela peut vous orienter dans la direction que vous recherchez.

En outre, considérez que cette phéomélanine, en particulier les cheveux roux, peut favoriser le succès de la reproduction, selon l'endroit où vous vous trouvez.


Je ne pense pas qu'une utilisation ait encore été découverte pour la phéomélanine. Je ne trouve pas de sources sur l'affirmation selon laquelle cela augmente l'absorption des UV, donc je suppose que nous ne pouvons pas encore le dire.

Je suppose simplement que ce n'est pas assez nocif pour justifier l'élimination via la sélection naturelle (dans des endroits où les gens sont moins exposés aux UV, c'est-à-dire) et peut, dans certaines sociétés, avoir une meilleure forme sexuelle. Cependant, même cela est difficile à dire, car historiquement, les cheveux roux ont été considérés à la fois comme une caractéristique identitaire et souhaitable (comme pour les Gaulois à l'époque romaine qui se décoloraient même les cheveux avec de l'eau de chaux pour obtenir des cheveux blonds roux) et odieux et cause de discrimination.

Les vestiges et les sous-produits de mutations utiles peuvent s'accumuler à l'infini si leur impact sur la forme physique globale est marginal. Dans ce cas, l'effet utile serait l'inhibition de l'eumélanine dans la peau, ce qui est souhaitable dans les climats faiblement éclairés/froids. Cela peut à son tour entraîner une plus grande production de phéomélanine et permettre au phénotype phéomélanique normalement caché de se manifester.


La phéomélanine a pour fonction normale de transformer la chaleur rayonnante en énergie, mais ne peut pas protéger son hôte des rayons ultraviolets du soleil, car les UV détruisent les cellules de mélanine.


SOX10 régule plusieurs gènes pour diriger la production d'eumélanine par rapport à la phéomélanine chez le pigeon biset domestique

Eric T. Domyan, Département de biologie, Utah Valley University, Orem, UT.

Département de biologie, Utah Valley University, Orem, Utah

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Département de biologie, Utah Valley University, Orem, Utah

Département de biologie, Utah Valley University, Orem, Utah

Département de chimie, Fujita Health University School of Health Sciences, Toyoake, Japon

Département de physiologie et de biologie du développement, Brigham Young University, Provo, Utah

Département de biologie, Utah Valley University, Orem, Utah

Eric T. Domyan, Département de biologie, Utah Valley University, Orem, UT.

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Département de chimie, Fujita Health University School of Health Sciences, Toyoake, Japon

Département de physiologie et de biologie du développement, Brigham Young University, Provo, Utah


Détermination sélective et sensible de la phéomélanine dans des échantillons biologiques à l'aide de MEKC avec détection de fluorescence induite par laser basée sur la dérivatisation de fluorescence intramoléculaire formant des excimères

Une méthode de chromatographie capillaire électrocinétique micellaire hautement sélective (MEKC) avec détection de fluorescence induite par laser (LIF) pour la détermination sensible de la phéomélanine dans divers matériaux biologiques a été initialement décrite. Le réactif de dérivatisation, l'acide 4-(1-pyrène)butyrique N-hydroxysuccinimide ester (PSE), a permis la détection sélective des deux marqueurs aminohydroxyphénylalanines (AHP) de la phéomélanine suivis à 500 nm. Le marquage multiple de deux AHP avec PSE a permis la formation d'excimères intramoléculaires qui émettent à des longueurs d'onde plus longues (500 nm) que les analytes mono-marqués (360-420 nm) sur la base d'une dérivatisation de fluorescence intramoléculaire formant des excimères. La séparation optimale des polyamines marquées a été obtenue en utilisant un tampon de séparation constitué de 20 mM de phosphate pH 7,4, 30 mM de cholate et 30 % de méthanol. En utilisant ces conditions, les deux AHP ont été séparés en 12 minutes et les écarts types relatifs (RSD) étaient inférieurs à 1,5 et 1,6 % (intra-série), 3,8 et 4,6 % (inter-série, pour une période de 6 jours) pour les périodes de migration et les zones de pointe (m = 10), respectivement. Cette méthode a été appliquée avec succès à la surveillance de la phéomélanine dans divers échantillons biologiques avec des taux de récupération dopés compris entre 94 et 101 %. À un rapport signal sur bruit de 3, la limite de détection des AHP dans les échantillons réels était respectivement de 31 pM pour le 3-AHP et de 35 pM pour le 4-AHP, ce qui est supérieur à ceux précédemment rapportés dans la littérature en utilisant la détection par fluorescence. .

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2. Téléonaturalisme explicatif

Le naturalisme philosophique désigne un large éventail d'attitudes envers les questions ontologiques. Nous utilisons le « ldquotéléonaturalisme » pour désigner un éventail tout aussi large de comptes rendus naturalistes de la téléologie en biologie qui s'unissent pour rejeter toute dépendance à l'égard de notions mentales ou intentionnelles pour expliquer l'utilisation des termes téléologiques dans des contextes biologiques. Ainsi, ceux qui rejettent le téléomentalisme recherchent généralement des conditions de vérité pour les revendications téléologiques en biologie qui sont fondées sur des faits non mentaux sur les organismes et leurs traits.

Certains téléonaturalistes analysent le langage téléologique comme étant principalement descriptif plutôt qu'explicatif, soutenant que la téléologie en biologie est appropriée pour les systèmes biologiques qui présentent des modèles de comportement intentionnels et orientés vers un but (pour lequel Pittendrigh (1958) a inventé le terme « ldquotéléonomie »). Pour de tels points de vue, le principal défi scientifique est d'expliquer la téléonomie, et non d'utiliser la téléonomie comme explication (voir Thompson 1987). Alors que la cybernétique a perdu de son attrait dans la dernière partie du vingtième siècle, des approches plus récentes des systèmes vivants qui les traitent comme auto-organisés ou &ldquoautopoietic» (Maturana & Varela 1980) ont certaines affinités avec l'attitude descriptive envers le téléonaturalisme&mdashal bien que la plupart des partisans prétendent que les concepts développées au sein de ces approches sont explicatives.

Ainsi, la plupart des téléonaturalistes privilégient les récits de la fonction biologique qui font du rôle explicatif de cette notion un desideratum. Les récits naturalistes visent généralement à satisfaire deux desiderata supplémentaires. Ils devraient distinguer les fonctions biologiques authentiques de l'utilité accidentelle (comme le nez supportant des lunettes), et ils devraient saisir la dimension normative de la fonction afin de préserver une distinction fonction-dysfonctionnement. Bien que ces trois desiderata ne soient ni universellement acceptés ni des conditions d'adéquation au sens strict, ils ont néanmoins atteint un statut canonique dans le débat contemporain sur les fonctions biologiques.

Dans les sections suivantes, nous divisons les différentes manières dont les différents comptes rendus téléonaturalistes de la fonction peuvent être distingués. Notre première distinction est entre (a) les points de vue qui assimilent les explications fonctionnelles en biologie aux modèles d'explication dans les sciences non biologiques, et (b) les points de vue traitent l'explication fonctionnelle comme distinctement biologique.


Résultats

Caractérisation de MC1R génotype et rapports eumélanine sur phéomélanine

Nous avons établi 35 cultures de mélanocytes humains (NHM) à partir de prépuces de couleur claire (NHM-c) et huit cultures à partir de prépuces foncés (NHM-b), et avons comparé leur capacité à répondre à l'α-MSH avec des augmentations dose-dépendantes de la prolifération et de la l'activité de la tyrosinase, l'enzyme limitant la vitesse dans la voie de synthèse de la mélanine. Parmi ceux-ci, 33 NHM-c et sept NHM-b ont démontré des augmentations dose-dépendantes de l'activité et de la prolifération de la tyrosinase en réponse à l'α-MSH sur la plage de doses testées. Les trois cultures restantes n'avaient aucune réponse ou une réponse minimale à l'a-MSH. Nous avons séquencé toute la région codante du MC1R dans les trois cultures avec une réactivité altérée à l'-MSH et dans dix cultures sensibles à l'α-MSH (quatre NHM-b et six NHM-c). Nous avons analysé 11 de ces 13 cultures pour leur teneur en eumélanine et en phéomélanine afin d'évaluer les différences dans leur pigmentation constitutive. Un nombre plus élevé de cultures de NHM-c que de NHM-b a été inclus car la variation de la MC1R devrait être plus élevé chez les individus à la peau claire et aux cheveux roux que chez les individus à la peau et aux cheveux foncés (Valverde et al., 1995Smith et al., 1998Harding et al., 2000).

Les données de séquençage présentées dans le tableau 1 ont révélé que NHM 753-c était homozygote pour Arg160Trp, NHM 830-c était hétérozygote pour Arg160Trp et Asp294His, et NHM 849-b était hétérozygote pour les substitutions Arg151Cys et Asp294His dans MC1R. Les trois cultures n'ont pas répondu à l'α-MSH avec une augmentation dose-dépendante significative de l'activité de la tyrosinase (Fig. 1B). NHM 755-c était homozygote pour la substitution Val92Met et homozygote pour une mutation silencieuse, Thr314Thr, dans le MC1R. Quatre autres cultures étaient hétérozygotes pour les substitutions Arg151Cys (NHM 731-c), Val60Leu (NHM 777-c), Arg163Gln (NHM 790-c) et Phe196Leu (NHM 780-b). Deux cultures étaient hétérozygotes pour la substitution Val92Met (NHM 754-b et 765-c). NHM 754-b et 780-b étaient hétérozygotes pour une mutation silencieuse, Thr314Thr et Thr177Thr, respectivement. Seules trois cultures, NHM 729-b, 747-c et 751-b portaient le type sauvage MC1R génotype.

Détermination de MC1R génotype et teneur relative en eumélanine et en phéomélanine dans les cultures de mélanocytes humains

Mélanocyte. MC1R génotype. Eumélanine (μg/10 6 cellules) . Phéomélanine (μg/10 6 cellules) . Eumélanine/phéomélanine . Mélanine totale (μg/10 6 cellules) .
729-b Séquence consensus 26.7 4.29 6.23 49.3
747-c Séquence consensus 1.23 1.43 0.86 14.7
751-b Séquence consensus ND ND ND 23.8
731-c Hétérozygote pour Arg151Cys ND ND ND 5.73
754-b Hétérozygote pour Val92Met 34.4 2.49 13.8 41.8
755-c Homozygote pour Val92Met 2.58 2.15 1.20 11.7
765-c Hétérozygote pour Val92Met 0.83 0.55 1.51 4.20
777-c Hétérozygote pour Val60Leu 1.46 3.01 0.49 14.6
790-c Hétérozygote pour Arg163Gln 1.25 0.87 1.44 8.81
780-b Hétérozygote pour Phe196Leu 25.9 3.05 8.49 41.7
753-c Homozygote pour Arg160Trp 0.66 0.86 0.77 3.3
830-c Composé hétérozygote pour Arg160Trp et Asp294His 2.30 1.48 1.55 4.60
849-b Composé hétérozygote pour Arg151Cys et Asp294His 14.9 3.64 4.09 33.8
Mélanocyte. MC1R génotype. Eumélanine (μg/10 6 cellules) . Phéomélanine (μg/10 6 cellules) . Eumélanine/phéomélanine . Mélanine totale (μg/10 6 cellules) .
729-b Séquence consensus 26.7 4.29 6.23 49.3
747-c Séquence consensus 1.23 1.43 0.86 14.7
751-b Séquence consensus ND ND ND 23.8
731-c Hétérozygote pour Arg151Cys ND ND ND 5.73
754-b Hétérozygote pour Val92Met 34.4 2.49 13.8 41.8
755-c Homozygote pour Val92Met 2.58 2.15 1.20 11.7
765-c Hétérozygote pour Val92Met 0.83 0.55 1.51 4.20
777-c Hétérozygote pour Val60Leu 1.46 3.01 0.49 14.6
790-c Hétérozygote pour Arg163Gln 1.25 0.87 1.44 8.81
780-b Hétérozygote pour Phe196Leu 25.9 3.05 8.49 41.7
753-c Homozygote pour Arg160Trp 0.66 0.86 0.77 3.3
830-c Composé hétérozygote pour Arg160Trp et Asp294His 2.30 1.48 1.55 4.60
849-b Composé hétérozygote pour Arg151Cys et Asp294His 14.9 3.64 4.09 33.8

Les MC1R le génotype de 13 cultures de mélanocytes a été déterminé par analyse de séquence de l'ensemble de la région codante de la MC1R gène, comme décrit dans Matériels et méthodes. Les génotypes du NHM 830-c et 849-c ont été confirmés par une analyse RFLP. Les cultures de mélanocytes sont regroupées selon qu'elles sont homozygotes pour le consensus MC1R, hétérozygote pour un MC1R variant, ou homozygote ou hétérozygote composé pour MC1R variantes. Les cultures ont été analysées pour les teneurs en eumélanine, phéomélanine et mélanine totale. ND, non déterminé.

Dose-réponse de diverses cultures de mélanocytes à l'α-MSH. Les réponses des NHM 753-c, 830-c, 849-b et 755-c, homozygotes ou hétérozygotes composites pour MC1R variants, et NHM 747-c, 729-c et 751-b, homozygotes pour le consensus MC1R ont été comparés. La réponse de NHM 765-c, hétérozygote pour la substitution Val92Met, est également présentée, puisqu'elle est comparable à NHM 753-c et 830-c dans le rapport eumélanine sur phéomélanine. Les réponses à la α-MSH ont été testées comme décrit dans les Matériels et Méthodes. Les effets de doses croissantes de -MSH sur la formation d'AMPc, l'activité de la tyrosinase et la prolifération cellulaire sont présentés en A, B et C, respectivement. Les taux basaux d'AMPc (Pmole/10 6 cellules) dans les cultures testées étaient les suivants :753-c=2,176±0,134 830-c=1,451 849-b=1,172±0,0219755-c=2,193±0,206 765-c=1,675± 0,137 747-c=1,074±0,098729-b=2,007±0,128 751-b=0,84±0,103. Dans A et B, chaque valeur représente le pourcentage moyen de contrôle de six déterminations ± s.e. Dans C, chaque valeur est le pourcentage moyen de contrôle de trois déterminations ± s.e.

Dose-réponse de diverses cultures de mélanocytes à l'α-MSH. Les réponses des NHM 753-c, 830-c, 849-b et 755-c, homozygotes ou hétérozygotes composites pour MC1R variants, et NHM 747-c, 729-c et 751-b, homozygotes pour le consensus MC1R ont été comparés. La réponse de NHM 765-c, hétérozygote pour la substitution Val92Met, est également présentée, puisqu'elle est comparable à NHM 753-c et 830-c dans le rapport eumélanine sur phéomélanine. Les réponses à la α-MSH ont été testées comme décrit dans les Matériels et Méthodes. Les effets de doses croissantes de -MSH sur la formation d'AMPc, l'activité de la tyrosinase et la prolifération cellulaire sont présentés en A, B et C, respectivement. Les taux basaux d'AMPc (Pmole/10 6 cellules) dans les cultures testées étaient les suivants :753-c=2,176±0,134 830-c=1,451 849-b=1,172±0,0219755-c=2,193±0,206 765-c=1,675± 0,137 747-c=1,074±0,098729-b=2,007±0,128 751-b=0,84±0,103. Dans A et B, chaque valeur représente le pourcentage moyen de contrôle de six déterminations ± s.e. Dans C, chaque valeur est le pourcentage moyen de contrôle de trois déterminations ± s.e.

L'analyse de la teneur en eumélanine à phéomélanine a montré que les cultures NHM-b exprimaient systématiquement des rapports eumélanine à phéomélanine plus élevés que les cultures NHM-c. La teneur moyenne (± s.d.) en eumélanine des cultures NHM-b (25,5±8,02 m=4) était plus de dix fois plus élevé(P0,01) que celle des cultures NHM-c (1,47±0,72 m=7). De plus, la teneur moyenne (± s.d.) en phéomélanine des cultures NHM-b (3,37±0,77) était significativement plus élevée (P≤0,01) que celle du NHM-c (1,48±0,86). En conséquence, le rapport moyen (± s.d.) eumélanine sur phéomélanine de NHM-b (8,15 ± 4,17) était sept fois plus élevé (P≤0,01) que celui du NHM-c (1,12±0,41).

Réponse des mélanocytes avec MC1R génotype toα-MSH

Cultures de mélanocytes homozygotes pour le consensus MC1R ou hétérozygote pour une variante de la MC1R (représenté par les données pour le NHM 765-c) a répondu à l'α-MSH avec des augmentations dose-dépendantes des taux d'AMPc, de l'activité de la tyrosinase et de la prolifération (Fig. 1). Les variations de l'ampleur de la réponse à l'α-MSH entre les cultures peuvent être attribuées à l'expression différentielle d'autres gènes impliqués dans la régulation de la pigmentation. NHM 753-c, homozygote pour Arg160Trp, 830-c, hétérozygote pour Arg160Trp et Asp294His, et 849-b, hétérozygote pour Arg151Cys et Asp294His, les substitutions dans MC1R n'ont pas répondu, ou 100 fois moins réactives au α-MSH ou aux mélanocytes sauvages que les mélanocytes hétérozygote pour MC1Rvariantes (Fig. 1). La comparaison des réponses à la -MSH de NHM 753-c, 830-c et 849-b à celle de NHM 765-c a démontré des différences significatives. NHM 753-c, 830-c et 849-b n'ont montré aucun changement significatif dans les niveaux d'AMPc après traitement avec l'α-MSH, tel que déterminé à l'aide de la méthode de Student. t-test.(Fig. 1A). En revanche, NHM 765-c, hétérozygote pour la substitution Val92Met et avec un faible rapport eumélanine à phéomélanine, a répondu à 0,1 ou 10 nM de α-MSH avec des augmentations significatives des niveaux d'AMPc au-dessus du contrôle (66 % et 4,5 fois, respectivement P≤0,001, tel que déterminé par l'étudiant t-test). NHM 755-c homozygote pour la substitution Val92Met a répondu à 0,1 nM et 10 nMα-MSH avec une augmentation de 4 fois et 11 fois de la formation d'AMPc (Fig. 1A).

De plus, NHM 753-c, 830-c et 849-b n'ont montré aucun changement, tandis que NHM 765-c a montré des augmentations significatives de l'activité de la tyrosinase en réponse à 0,1 ou 1 nM de α-MSH (augmentation d'environ 90 % ou 130 %, respectivement P<0.0001 à l'aide de Student's t-test) (Fig. 1B). NHM 753-c, 830-c et 849-b n'ont montré aucune stimulation significative, tandis que NHM 765-c a montré une augmentation de 160% de l'activité de la tyrosinase après traitement avec 10 nM de α-MSH. NHM 753-c, 830-c et 849-b ont répondu à 1 M de forskoline, un activateur de l'adénylate cyclase, avec des augmentations remarquables de la prolifération et de l'activité de la tyrosinase. Cela a indiqué que leur adénylate cyclase est inductible et que leur incapacité à répondre à l'α-MSH est due à un défaut qui se trouve en amont de l'adénylate cyclase (Fig. 1B, C). Le NHM 755-c a répondu de manière dose-dépendante à 1 ou 10 nM de α-MSH, avec une augmentation de 80 ou 110 % de l'activité de la tyrosinase, respectivement (P<0.001, tel que déterminé par l'étudiant t-test).

Comme prévu, les cultures de type sauvage pour MC1R a répondu par une augmentation dose-dépendante de la prolifération commençant à une dose de 0,1 nM (Abdel-Malek et al., 1995Suzuki et al., 1996). NHM 753-c et 849-b ont démontré une augmentation significative (38 % au-dessus du contrôle) du nombre de cellules uniquement après un traitement avec 10 nM de α-MSH (P<0,01) Le NHM 830-c n'a montré aucune stimulation de la prolifération à aucune des concentrations de α-MSH qui ont été utilisées (Fig. 1C). En comparaison, NHM 765-c a démontré un 30 (P<0.1), 126 ou 229%(P<0.0001) et NHM 755-c, homozygote pour la substitution Val92Met, a démontré une augmentation de 25, 70 ou 96 % du nombre de cellules au-dessus du contrôle (P<0,0001) en réponse à 0,1, 1 ou 10 nM de α-MSH, respectivement. Une analyse statistique plus poussée utilisant une ANOVA bidirectionnelle a montré que les effets de 1 et 10 nM de α-MSH sur les niveaux d'AMPc, l'activité de la tyrosinase et la prolifération de NHM 753-c, 830-c et 849-b étaient significativement différents des effets sur NHM 747 -c, 729-b et 751-b avec MC1R de type sauvage(P≤0.01).

MC1R génotype et les réponses des mélanocytes aux UVR

Nous avons évalué la survie des cultures de mélanocytes après une seule exposition à une dose de 21 mJ/cm 2 d'UVBR. Ce traitement a entraîné une mort cellulaire de 28, 31 et 34 % des NHM 753-c, 830-c et 849-b, respectivement, contre seulement 6 % de mort cellulaire des NHM 765-c et 755-c, 2 jours après irradiation (Fig. 2). NHM 753-c, 830-c et 849-b ont rencontré une mort cellulaire de 17, 22 et 27%, respectivement, au jour 4 après exposition aux UVB, contre 8 et 5% de mort cellulaire dans NHM 765-c et 755-c, respectivement (Fig. 2).Les différences dans l'étendue de la mort cellulaire entre les cultures qui ne répondaient pas à l'-MSH et celles avec MC1R fonctionnel étaient statistiquement significatives, comme déterminé par ANOVA à un facteur, qui a pris en compte la réactivité à l'α-MSH (P<0,0001). Les réponses de ces deux dernières cultures sont comparables à celles de nombreuses autres cultures à fonction MC1R que nous avons testé. Nous n'avons pas détecté de différences significatives dans les quantités de dimères de cyclobutane pyrimidine induits par les UVB ou de photoproduits de pyrimidine 6,4-pyrimidone dans NHM 753-c avec perte de fonction MC1R et NHM 765-c avec fonction MC1R qui ont des teneurs en mélanine comparables (données non présentées). Les cultures de mélanocytes répondent à l'irradiation UVB avec une augmentation linéaire dose-dépendante de la génération de peroxyde d'hydrogène extracellulaire. Nous n'avons pas détecté de différences significatives dans les quantités de génération de peroxyde d'hydrogène extracellulaire dans le NHM 830-c avec une perte de fonction MC1R et un NHM-c avec une fonction MC1R et teneur en mélanine comparable (données non présentées).

Effets cytotoxiques des UVBR sur les mélanocytes avec différents génotypes MC1R. Nous avons comparé la réponse aux UVBR de NHM 753-c, 830-c et 849-b homozygotes ou hétérozygotes pour les mutations de perte de fonction dans MC1R à celui de NHM 765-c et NHM 755-c, respectivement hétérozygote ou homozygote pour la substitution Val92Met. Toutes les cultures de mélanocytes ont été irradiées une seule fois avec UVBR et le nombre de cellules et la viabilité ont été déterminés aux jours 2 et 4 après l'irradiation, comme décrit dans Matériels et méthodes. Chaque valeur représente le pourcentage moyen de mort cellulaire de trois déterminations ± s.e.

Effets cytotoxiques des UVBR sur les mélanocytes avec différents génotypes MC1R. Nous avons comparé la réponse aux UVBR de NHM 753-c, 830-c et 849-b homozygotes ou hétérozygotes pour les mutations de perte de fonction dans MC1R à celui de NHM 765-c et NHM 755-c, respectivement hétérozygote ou homozygote pour la substitution Val92Met. Toutes les cultures de mélanocytes ont été irradiées une seule fois avec UVBR et le nombre de cellules et la viabilité ont été déterminés aux jours 2 et 4 après l'irradiation, comme décrit dans Matériels et méthodes. Chaque valeur représente le pourcentage moyen de mort cellulaire de trois déterminations ± s.e.


Fonction du sépale

La fonction initiale des sépales est de soutenir et de protéger une fleur bourgeon car ils se referment autour d'elle jusqu'à ce qu'elle soit prête à fleurir. Les sépales entourent les pétales et les organes reproducteurs à l'intérieur de la fleur et les protègent des conditions environnementales difficiles et du dessèchement. Une fois la fleur épanouie, le sépale peut se couvrir d'épines et servir à protéger la fleur chez certaines plantes, tandis que chez d'autres il se fane ou est présent mais n'est plus utile. Dans d'autres cas, les sépales peuvent aller jusqu'à grossir et se refermer autour du fruit afin de le protéger de différents types d'insectes ou d'abeilles, ou ils peuvent devenir tranchants et pointus comme dans le genre Acaena indiqué ci-dessous. Cette fleur n'a pas de pétales mais les sépales sont pointus et servent de protection au fruit porteur de nombreuses graines. Un autre mécanisme de défense utilisé par les sépales de certaines plantes consiste à produire des produits chimiques qui éloigneraient les prédateurs.


Fleur : Pièces et fonctions | La biologie

Une fleur typique se compose de quatre verticilles d'appendices floraux, attachés sur le réceptacle, c'est-à-dire le calice, la corolle, l'androcée et le gynécée. Parmi ceux-ci, les deux verticilles inférieurs, c'est-à-dire le calice et la corolle sont stériles et considérés comme des verticilles non essentiels/accessoires/d'aide et les deux verticilles supérieurs, c'est-à-dire l'androcée et le gynécée sont fertiles et sont considérés comme des verticilles essentiels ou reproducteurs.

Différents verticilles d'une fleur sont donnés ci-dessous:

C'est le verticille le plus externe des feuilles florales. Un segment de feuille individuel est appelé sépale. Les sépales sont essentiellement verts, mais dans certains cas ils sont colorés comme des pétales, on les appelle pétaloïdes. Ils ont une fonction protectrice. Ils peuvent tomber immédiatement après l'ouverture de la fleur ou peuvent rester persistants et protéger les fruits en développement.

Il s'agit d'un deuxième verticille de feuilles florales qui apparaissent à l'intérieur du calice. La feuille individuelle de la corolle est appelée pétale. Les pétales sont brillamment colorés et parfumés, ce qui rend la fleur attrayante. Ils attirent les insectes pollinisateurs et aident à la pollinisation.

Les pétales et les sépales forment ensemble l'enveloppe florale. L'enveloppe florale comprenant à la fois le calice et la corolle est appelée périanthe. Un membre individuel du périanthe, lorsque les sépales et les pétales ne sont pas clairement différenciés, est appelé tépale.

C'est le troisième verticille d'appendices floraux qui apparaissent à l'intérieur de la corolle. L'appareil individuel est l'étamine, qui représente l'organe reproducteur mâle.

Chaque étamine se compose d'une anthère et d'un filament, généralement les anthères sont bilobées et contiennent quatre microsporanges, mais parfois elles n'ont qu'un lobe et deux microsporanges.

La pointe de l'étamine, qui relie l'anthère et le filament, est appelée conjonctif. Sa fonction principale est la production de microspores, c'est-à-dire de grains de pollen contenant des gamètes mâles dans le lobe de l'anthère.

(iv) gynécée/pistil:

C'est le quatrième et le dernier verticille des appendices floraux, qui représente l'organe reproducteur féminin et se compose de trois parties, à savoir l'ovaire, le stigmate et le style.

Ceux-ci sont donnés ci-dessous :

(a) L'ovaire est la partie renflée basale du carpelle, qui porte un ou plusieurs ovules.

(b) Le stigmate est le point réceptif qui loge les grains de pollen.

(c) Le style est le lien entre le stigmate et l'ovaire.

Il aide une partie du corps à produire des mégaspores, des fruits et des graines.

Fonctions d'une fleur :

Voici les fonctions de la fleur :

(a) Les fleurs sont les modifications de la pousse qui remplissent la fonction de reproduction sexuée.

(b) Les feuilles fertiles deviennent des microsporophylles et des mégasporophylles, qui portent respectivement des anthères et des ovules. Les anthères produisent des grains de pollen et les ovules possèdent des œufs.

(c) Les fleurs sont de formes variées pour aider à divers modes de pollinisation.

(d) Ils fournissent des graines pour la germination du pollen, le développement du tube pollinique, la formation des gamètes et la fécondation.

(e) Les parties florales se transforment en fruits et en graines après la fécondation.


Zinc et fonction immunitaire : la base biologique d'une résistance altérée à l'infection

Le zinc est connu pour jouer un rôle central dans le système immunitaire, et les personnes déficientes en zinc présentent une sensibilité accrue à une variété d'agents pathogènes. Les mécanismes immunologiques par lesquels le zinc module la susceptibilité accrue à l'infection sont étudiés depuis plusieurs décennies. Il est clair que le zinc affecte de multiples aspects du système immunitaire, de la barrière cutanée à la régulation des gènes au sein des lymphocytes. Le zinc est crucial pour le développement normal et la fonction des cellules médiant l'immunité non spécifique telles que les neutrophiles et les cellules tueuses naturelles. La carence en zinc affecte également le développement de l'immunité acquise en empêchant à la fois la croissance et certaines fonctions des lymphocytes T telles que l'activation, la production de cytokines Th1 et l'aide des lymphocytes B. De même, le développement des lymphocytes B et la production d'anticorps, en particulier l'immunoglobuline G, sont compromis. Le macrophage, une cellule pivot dans de nombreuses fonctions immunologiques, est affecté par une carence en zinc, qui peut déréguler la destruction intracellulaire, la production de cytokines et la phagocytose. Les effets du zinc sur ces médiateurs immunologiques clés sont enracinés dans la myriade de rôles du zinc dans les fonctions cellulaires de base telles que la réplication de l'ADN, la transcription de l'ARN, la division cellulaire et l'activation cellulaire. L'apoptose est potentialisée par une carence en zinc. Le zinc fonctionne également comme un antioxydant et peut stabiliser les membranes. Cette revue explore ces aspects de la biologie du zinc du système immunitaire et tente de fournir une base biologique pour la résistance modifiée de l'hôte aux infections observées lors d'une carence et d'une supplémentation en zinc.


Impact des technologies émergentes sur les sciences biologiques

Comparée à la physique, à la chimie et à d'autres sciences physiques, la biologie n'a pas puisé de manière aussi cohérente, aussi rapide ou aussi approfondie dans les capacités offertes par les technologies émergentes. À quelques exceptions notables près, les techniques traditionnelles d'imagerie, de collecte de données et d'analyse sont restées la base du progrès des sciences biologiques. Cependant, bon nombre des avancées majeures de la biologie ces dernières années reposent en grande partie sur l'application créative de nouvelles technologies. Il est probable que cette tendance se poursuivra, car les progrès technologiques continuent d'ouvrir des opportunités pour le progrès scientifique. La Direction des sciences biologiques (BIO) de la National Science Foundation (NSF) explore des mécanismes pour organiser et financer des activités de recherche qui favoriseront le développement et l'utilisation de technologies avancées et/ou émergentes pour relever les défis fondamentaux des sciences biologiques. Afin d'obtenir des informations d'experts dans ce domaine, ce qui pourrait aider à orienter sa planification stratégique, la Direction de l'IOB a encouragé les directeurs des Centres de science et de technologie (STC) qu'elle soutient à organiser un atelier pour examiner l'"Impact des technologies émergentes sur la biologie Sciences." L'atelier s'est tenu à la NSF en juin 1995. Les participants comprenaient les directeurs des centres scientifiques et technologiques (STC) soutenus par la direction BIO, ainsi que des chefs de file sélectionnés dans des domaines de recherche clés à la fois en science et en technologie, de l'académie et de l'industrie. La session de deux jours a été très productive, donnant une mine d'idées, d'informations et de suggestions qui donneront une orientation concrète aux futurs efforts de BIO dans ce domaine. Je tiens à souligner le rôle clé joué par le Dr Lans Taylor, directeur du Center for Light Microscope Imaging and Biotechnology, à l'Université Carnegie Mellon. a contribué à l'élaboration de ce rapport. Je tiens certainement à remercier le Dr Mary Clutter, directrice adjointe de la NSF pour la biologie, pour son leadership dans la conduite de cet effort et pour son soutien intéressé pendant l'atelier lui-même. Merci également au Dr James Brown, directeur de la Division de l'instrumentation et des ressources biologiques au Dr Gerald Selzer, directeur du programme des projets spéciaux de BIO, pour son soutien logistique et intellectuel à l'atelier et à Courtland Lewis, consultant, pour son aide dans préparer le rapport de l'atelier. Enfin, je tiens à remercier avec gratitude la participation enthousiaste des participants à l'atelier, qui ont véritablement « réfléchi » à ces questions d'une manière mutuellement coopérative, efficace et pourtant intellectuellement revigorante. Je crois que leurs efforts rapportés ici ont initié une focalisation plus large sur les technologies émergentes qui fourniront de nouvelles directions passionnantes à la biologie dans les années à venir.

Ce sont des moments passionnants pour la biologie. Au cours de la prochaine décennie, les sciences biologiques arriveront à maturité à mesure que la science fondamentale fusionnera avec les nouvelles technologies. De plus en plus, les problèmes de recherche biologique stimulent le développement technologique tandis que, à leur tour, les nouvelles technologies stimulent les progrès de la science. Il s'agit du rapport d'un atelier organisé à la National Science Foundation qui avait deux objectifs : identifier les technologies émergentes qui peuvent avoir un impact sur la recherche biologique et trouver des moyens de développer et d'exploiter ces technologies plus efficacement grâce à des changements dans l'infrastructure scientifique et les mécanismes de soutien. .

Les participants à l'atelier ont réussi à identifier un large éventail de technologies émergentes, dont cinq qu'ils jugeaient prioritaires. Dans leur rapport, ils exhortent la NSF à mettre davantage l'accent sur le développement technologique et à poursuivre une approche interdisciplinaire pour fusionner la biologie avec les nouvelles technologies, en établissant de nouveaux programmes à cette fin. Ils recommandent un enseignement scientifique plus interdisciplinaire pour réduire les « barrières linguistiques » entre les disciplines et pour produire un cadre de chercheurs capables de développer et d'appliquer de nouvelles technologies en biologie. Ils soulignent que les ressources scientifiques doivent être utilisées avec prudence, avec une définition plus explicite des priorités par la NSF ainsi qu'une plus grande spécialisation des installations et des activités de recherche par les universités. Les administrateurs universitaires peuvent faire beaucoup pour promouvoir et faciliter la recherche interdisciplinaire et le développement technologique en acceptant leur légitimité et en la reconnaissant dans les politiques et les pratiques.

Le grand défi et l'opportunité pour la science biologique alors que nous entrons dans le 21e siècle est de comprendre les systèmes biologiques dans toute leur complexité tout en préservant et en exploitant les systèmes biologiques de manière durable. Les outils pour faire face à cette complexité nécessiteront l'adaptation et l'application des technologies émergentes.

Parmi les nombreux nouveaux outils qui sont ou seront nécessaires, certains de ceux qui ont la plus haute priorité sont :

  • bioinformatique
  • biologie computationnelle
  • outils d'imagerie fonctionnelle utilisant des biocapteurs et des biomarqueurs
  • technologies de transformation et d'expression transitoire
  • nanotechnologies

L'élargissement des interactions université-industrie est susceptible d'accélérer le développement et l'application de nouvelles technologies aux sciences biologiques. La NSF peut faciliter de telles interactions en finançant des programmes d'échange, des recherches conjointes et des conférences. La Fondation pourrait servir de centre d'échange d'informations sur les technologies sous-utilisées et potentiellement précieuses actuellement "sur les étagères". L'élaboration de normes plus formelles pour les droits de propriété intellectuelle serait également utile.

Ces recommandations et d'autres sont développées dans le premier chapitre du rapport, où leur importance et leur actualité sont mises en évidence.

La biologie est à la croisée des chemins. Les sciences biologiques ont pris du retard par rapport à d'autres sciences telles que la physique et la chimie dans l'application à grande échelle de la technologie de pointe aux problèmes de recherche. Au cours des 20 dernières années, cependant, la technologie a de plus en plus démontré son potentiel pour catalyser des percées révolutionnaires dans les sciences biologiques.

Du microscope à effet tunnel à la technologie de clonage de gènes en passant par le satellite de télédétection, les technologies émergentes ont stimulé de nouvelles recherches et même engendré de nouvelles industries.

Aujourd'hui, de nouvelles technologies émergent qui promettent de produire des progrès rapides similaires dans les sciences biologiques, si elles peuvent être intégrées à la recherche et à l'éducation de manière opportune et efficace. Dans le même temps, cependant, un autre facteur est apparu qui a des implications considérables pour la recherche et l'éducation dans toutes les sciences : la baisse du soutien fédéral à la recherche universitaire, la réduction des budgets de R&D industrielle, une forte concurrence mondiale dans la recherche ainsi que le développement technologique et une complexité croissante. , le coût et la vitesse de développement technologique constituent tous un changement de paradigme historique pour la recherche scientifique aux États-Unis.

Ainsi, de nouvelles opportunités technologiques et scientifiques se combinent avec un nouvel environnement de recherche et d'enseignement pour produire un défi et une opportunité majeurs pour les sciences biologiques. La Direction des sciences biologiques (BIO) de la National Science Foundation (NSF) a organisé un atelier de dirigeants de la recherche biologique et du développement technologique afin d'explorer les moyens de relever ce défi de front. Ils sont parvenus à un certain nombre de conclusions et ont élaboré des recommandations concernant les mesures qui peuvent être prises pour faciliter la fusion réussie des technologies émergentes avec la recherche et l'enseignement en sciences biologiques. Ces conclusions et recommandations sont résumées ici.

Le grand défi et l'opportunité pour la science biologique alors que nous entrons dans le 21e siècle est de comprendre les systèmes biologiques dans toute leur complexité tout en préservant et en exploitant les systèmes biologiques de manière durable. Les outils permettant de faire face à cette complexité nécessiteront l'adaptation et l'application de technologies émergentes non seulement issues de la biologie, mais également de nombreux autres domaines de la science et de l'ingénierie. Il existe un besoin urgent de tirer parti et de développer de nouveaux outils d'analyse à tous les niveaux - du moléculaire au cellulaire, du système, de l'organisme et de la communauté des organismes. La clé sera de combiner la biologie de pointe avec les technologies appropriées. Dans certains cas, la technologie elle-même sera de pointe. Dans d'autres cas, les technologies "droites" seront celles qui ont déjà fait leurs preuves dans d'autres domaines mais dont l'application à la biologie est inédite. Dans d'autres domaines encore, les sciences biologiques pourraient être les premiers utilisateurs ou donner l'impulsion originale au développement de nouvelles technologies.

Les participants à l'atelier ont identifié un large éventail de technologies émergentes applicables, qui sont présentées dans un tableau de la section III, « Les technologies émergentes ». Parmi les nombreux nouveaux outils qui sont ou seront nécessaires, certains de ceux qui ont la plus haute priorité sont :

  • bioinformatique, facilitant la recherche biologique en améliorant considérablement notre capacité à accumuler, manipuler et visualiser des données
  • biologie computationnelle appliquée à des systèmes complexes pour réaliser des progrès en biologie structurelle (par exemple, dynamique moléculaire, événements chimiques dans les cellules, les tissus, les organes et les organismes et dynamique des populations et des écosystèmes)
  • outils d'imagerie fonctionnelle utilisant des biocapteurs et des biomarqueurs pour définir la fonction des cellules, des tissus, des organes et des organismes
  • technologies de transformation et d'expression transitoire pour permettre l'utilisation d'animaux, de plantes et de systèmes de culture cellulaire comme systèmes d'expression pour la production de composés pour la recherche et le commerce et
  • nanotechnologies pour construire de petites machines de microanalyse et de micromanipulation.

Approche interdisciplinaire de la complexité biologique

Nous concluons que la compréhension de la complexité biologique et le développement des outils pour poursuivre efficacement cet objectif nécessiteront une approche interdisciplinaire dans le contexte de programmes ciblés de recherche et de développement.

Recommandation : La NSF devrait promouvoir et faciliter les efforts visant à développer les outils nécessaires pour faire face à la complexité biologique. À cette fin, le portefeuille d'investissement global de la Fondation en biologie devrait mettre davantage l'accent sur le développement et l'application des technologies. Parmi les actions importantes figurent la nécessité de :

  • Accroître le soutien aux collaborations interdisciplinaires en matière de développement technologique. Un financement important dans ce domaine devrait aller à de petits groupes interdisciplinaires et à des centres de recherche couvrant différents départements et différentes universités, en mettant l'accent sur les collaborations entre la biologie et les sciences physiques ou informatiques et l'ingénierie.
  • Établir de nouveaux programmes visant à fusionner la biologie avec les technologies émergentes. Celles-ci pourraient être au sein de la Direction des sciences biologiques et/ou interdirectionnelles. Pour faciliter la formation et la gestion de tels programmes, la NSF devrait envisager de créer une division de biotechnologie au sein de la direction de BIO. La structure du programme doit être suffisamment souple pour englober les nouveaux développements et permettre une réponse rapide aux opportunités technologiques émergentes.
  • Soutenir une série d'ateliers interdisciplinaires sur les technologies émergentes dans des domaines spécifiques (par exemple, "Applications of Solid-state Electronics in Biology").

Tout en initiant ces changements de financement, il est essentiel de maintenir le soutien et de reconnaître l'importance centrale de chaque chercheur.

Éducation et ressources humaines

Un défi pour amener d'autres disciplines et leurs technologies dans la biologie est de faire face à la "barrière linguistique" entre les disciplines.Nous concluons qu'une approche efficace pour réduire cet obstacle consiste à modifier le processus d'éducation pour qu'il soit plus interdisciplinaire. À cette fin, nous suggérons ce qui suit :

Recommandation : La NSF et le NIH devraient étendre les programmes qui facilitent la formation interdisciplinaire en biologie (c'est-à-dire avec des exigences de cours importantes en sciences physiques et informatiques, en mathématiques et/ou en ingénierie) pour les étudiants et les jeunes scientifiques. Les études supérieures en biologie devraient inclure des exigences de cours importantes dans au moins une autre discipline en dehors du domaine principal. L'exposition industrielle devrait être une option disponible pour tous les étudiants en biologie. Pour faciliter ces améliorations, les groupes de formation à la recherche actuellement financés par la direction BIO pourraient être élargis. L'objectif devrait être de développer un cadre de chercheurs ayant une expertise dans le développement et l'application de nouvelles technologies dans les sciences biologiques.

Recommandation : L'enseignement des sciences au niveau du premier cycle devrait être large, avec une exposition substantielle à d'autres disciplines scientifiques et aux principes fondamentaux de l'ingénierie. De plus, la formation de chaque premier cycle en biologie devrait inclure une expérience de recherche significative.

Étant donné que de nombreux pays étrangers développent rapidement d'impressionnantes capacités de recherche universitaire et industrielles fondées sur la science, il est probable qu'un pourcentage croissant d'étudiants étrangers actuellement inscrits dans des programmes scientifiques dans les universités américaines retourneront dans leur pays d'origine après l'obtention de leur diplôme. Cette tendance laissera les facultés et les industries universitaires américaines avec une pénurie de scientifiques. Nous concluons qu'il est nécessaire d'attirer davantage de citoyens américains vers la science et que la clé pour y parvenir est l'enseignement préuniversitaire.

Recommandation : La NSF devrait mettre un accent particulier sur les programmes de sensibilisation scientifique de la maternelle à la 12e année où l'imagination des enfants est captivée dès leur plus jeune âge par les merveilles de la science. Chaque direction scientifique devrait avoir des responsabilités directes pour la sensibilisation K-12.

Recommandation : Une coopération et une interaction plus étroites devraient être établies entre la Direction de l'éducation et des ressources humaines (DSE) et les directions scientifiques. Pour garantir un contenu scientifique approprié, il faut davantage de programmes de sensibilisation aux DSE qui sont attribués par les directions scientifiques.

Recommandation : Afin d'encourager davantage d'étudiants postdoctoraux en sciences à occuper des postes d'enseignement dans les écoles primaires et secondaires, la NSF devrait développer un mécanisme (comme des collaborations de recherche estivales) qui leur permet de maintenir un lien avec un département de recherche universitaire et ainsi de rafraîchir leur base de connaissances .

Contraintes de financement

Pour les prochaines années au moins, la NSF ne connaîtra probablement aucune croissance ou même des réductions de son budget. Concrètement, cela se traduira par des réductions du soutien gouvernemental à la recherche universitaire. Nous concluons qu'il y a deux implications principales pour le développement des technologies émergentes.

Premièrement, les ressources doivent être utilisées avec prudence et sagesse. À cette fin, nous recommandons ce qui suit :

Recommandation : Toutes les directions scientifiques de la NSF devraient examiner de près leurs centres, installations, subventions et autres dépenses existants et voir où les ressources peuvent être récupérées. Un panel bleu devrait être mis en place pour analyser ces dépenses de manière uniforme dans toutes les directions et pour définir les priorités appropriées pour leur soutien.

Recommandation : Il devrait y avoir une plus grande spécialisation des installations dans une université avec, en corollaire, l'omission délibérée d'installations similaires dans d'autres universités. Chaque université devrait se concentrer sur l'établissement d'un certain nombre d'installations spécialisées soigneusement sélectionnées.

Recommandation : Toutes les nouvelles installations et centres de recherche doivent avoir une "clause d'extinction" dans leur contrat afin d'optimiser l'investissement des fonds rares dans les technologies émergentes.

Recommandation : L'examen des propositions de bases de données biologiques devrait impliquer un examen plus explicite des forces du marché - c'est-à-dire, est-ce vraiment nécessaire ? Le secteur privé peut-il le fournir? En outre, l'examen devrait tenir compte de la disponibilité d'installations informatiques adéquates et de liaisons de communication électronique pour accéder à la base de données.

Deuxièmement, les ressources et les installations de grande valeur devront être partagées. Ainsi, nous recommandons comme suit :

Recommandation : La NSF devrait placer des installations puissantes et coûteuses (par exemple, un centre informatique, une installation de protéines, une installation de biologie structurelle) dans des institutions appropriées et exiger ou mettre en place des mécanismes de partage pour leur utilisation par les chercheurs d'autres institutions, au niveau régional ou national. De telles installations peuvent être en partie « virtuelles », en ce sens que leurs bases de données devraient être accessibles par voie électronique et que même les mesures et les analyses peuvent être distantes.

Collaboration multi-agences

En cette ère de budgets rigoureux, il est important de rechercher des opportunités pour les agences ayant des intérêts et des programmes complémentaires de collaborer au développement et à l'application de technologies en biologie. Un exemple pourrait être des programmes conjoints entre la NSF et les National Institutes of Health, la National Aeronautics and Space Administration, l'Environmental Protection Agency ou les ministères de l'Énergie et de l'Agriculture.

Recommandation : La NSF devrait prendre l'initiative d'encourager la collaboration inter-agences et multi-agences sur le développement et l'application des technologies en biologie.

Rôle et responsabilités de l'université

Les attitudes et les politiques universitaires jouent un rôle très important dans l'orientation des efforts de recherche du corps professoral. L'environnement actuel de la plupart des institutions a tendance à orienter les scientifiques vers la recherche "pure" dans des domaines spécialisés et à s'éloigner du développement de nouveaux outils et technologies ainsi que de la recherche à vocation industrielle. Nous concluons que des changements sont nécessaires dans la perception de nombreux administrateurs concernant ce qui constitue des activités académiques appropriées par les chercheurs du corps professoral.

Recommandation : Les administrateurs universitaires et les politiques devraient promouvoir et faciliter le franchissement des frontières disciplinaires par les chercheurs du corps professoral. Voici quelques suggestions spécifiques :

  • Accepter la légitimité de la biologie appliquée et de la bio-ingénierie en tant qu'activités académiques en tenant dûment compte des brevets et des activités de développement technologique dans les décisions de promotion et de titularisation.
  • Accordez tout le crédit aux décisions de promotion et de titularisation pour une participation et un leadership réussis dans des projets multi-investigateurs.
  • Encourager et faciliter la participation du corps professoral à des recherches pertinentes, financées ou même organisées et dirigées par l'industrie.

Interaction université-industrie

Les collaborations entre les universités et l'industrie dans l'application des technologies émergentes à la biologie pourraient potentiellement être très fructueuses. Les deux secteurs et le gouvernement ont un rôle à jouer.

Recommandation : La NSF devrait élargir les possibilités d'échange sabbatique université-industrie telles que celles offertes dans le cadre du programme GOALI. L'utilisation de fonds de contrepartie industriels pourrait être explorée.

Recommandation : La NSF devrait mettre des fonds supplémentaires à disposition pour faciliter les interactions université-industrie - par exemple, par le biais du programme de recherche sur l'innovation des petites entreprises. Les mécanismes efficaces comprennent des projets de recherche conjoints ou collaboratifs, des installations conjointes pour la recherche fondamentale et des séminaires et conférences conjoints.

Nous concluons que les attitudes académiques envers le travail avec l'industrie doivent changer l'industrie n'est ni une "poche profonde", ni un concurrent, ni un partenaire indigne. Une observation pertinente est que la collaboration université-industrie semble être plus facile si le projet est petit, ciblé et centré sur un objectif spécifique.

Les droits de propriété intellectuelle (DPI) constituent souvent un obstacle aux interactions université-industrie. Les négociations sont souvent longues et détaillées, et les deux parties ne parviennent souvent pas à comprendre les besoins et priorités de l'autre. Chaque accord individuel a des aspects qui le rendent unique. Nous concluons qu'une compréhension supplémentaire et peut-être une formalisation supplémentaire dans ce domaine par le biais d'accords types serait bénéfique.

Recommandation : La NSF devrait organiser un atelier sur les DPI gouvernement-université-industrie et le transfert de technologie en biotechnologie. Une question qui devrait être explorée est l'élaboration d'un ensemble de normes pour les DPI qui détourneraient l'attention des universités et de l'industrie des avantages à court terme aux opportunités à long terme.

Souvent, les technologies potentiellement utiles développées dans l'industrie deviennent " orphelines " parce que la direction de l'entreprise ne perçoit pas un marché suffisant pour justifier un développement ultérieur ou qu'elles peuvent avoir des applications en biologie très différentes de celles pour lesquelles elles ont été développées. De même, les technologies développées par les chercheurs universitaires peuvent languir "sur les étagères" parce qu'aucune agence ne semble disposée à les faire avancer vers un état de développement plus pleinement réalisé. Nous concluons qu'un potentiel important peut résider dans la recherche de « foyers » appropriés pour de telles technologies dans les sciences biologiques.

Recommandation : La NSF pourrait servir de centre d'échange d'informations pour les technologies sous-utilisées et orphelines résidant dans l'industrie, les universités et d'autres institutions publiques et privées. La Fondation préparerait une base de données contenant des descriptions génériques des technologies disponibles pour les entrepreneurs et autres, si nécessaire dans le cadre d'accords de confidentialité. (Dans ce contexte, peut-être qu'une association plus étroite entre la NSF et l'Office des brevets des États-Unis apporterait un avantage public important.)

Examen de la proposition

Le processus et les critères employés dans l'examen des propositions sont essentiels pour établir l'orientation et le potentiel de réussite de toute nouvelle initiative de recherche, mais surtout d'une initiative impliquant un mélange de disciplines. Pour parvenir à une approche interdisciplinaire de la recherche et du développement technologique, concluons-nous, le processus d'examen des propositions doit tenir compte de cet objectif.

Recommandation : La NSF devrait soigneusement adapter la composition des comités d'examen des propositions dans ce domaine à la nature interdisciplinaire du travail. Les examinateurs devraient avoir une expérience personnelle de la recherche interdisciplinaire. L'utilité sociale et économique devrait être incluse comme l'un des critères de financement dans l'examen des propositions.

Le processus actuel d'examen des propositions de la NSF est mené au coup par coup. Les propositions sont examinées séparément, et non dans le cadre d'un portefeuille d'investissement global.

Recommandation : Au sein de chaque direction, des moyens doivent être trouvés pour coupler l'examen des nouveaux programmes potentiels avec l'examen des programmes existants. Par exemple, les comités d'examen devraient avoir une vue d'ensemble des dépenses de la Direction et être chargés d'examiner les investissements de ressources proposés d'un point de vue « global » et du point de vue du portefeuille.

Les propositions de « Méthodes » ont généralement été examinées défavorablement dans le passé par rapport à la recherche biologique, souvent considérées comme trop prosaïques. Nous concluons que le développement de méthodes jouera un rôle de plus en plus important dans l'avancement des sciences biologiques.

Recommandation : La NSF devrait solliciter des propositions à risque moyen à élevé sur le développement de méthodes, y compris peut-être des propositions de centres consacrés au développement de méthodes. Ces propositions devraient être examinées séparément des subventions de recherche standard.

Problèmes et préoccupations particuliers

Un certain nombre de questions spéciales et de sujets de préoccupation ont été soulevés au cours de l'atelier et nécessiteront une exploration plus approfondie, car les participants à l'atelier ne se sentaient pas qualifiés pour en discuter longuement ou faire des recommandations à leur sujet. Ils sont brièvement listés ici comme " matière à réflexion " possible pour les lecteurs de ce rapport ou pour les futurs groupes d'étude.

  • La NSF est-elle actuellement organisée correctement pour réaliser une intégration étroite entre la recherche et l'enseignement ?
  • Le Guide de proposition de subvention de la NSF et le Guide des programmes devraient-ils explicitement encourager la recherche visant le développement et l'adaptation de la technologie ?
  • Les bureaux de transfert de technologie dans les universités ont-ils la bonne perspective de travailler avec l'industrie ? Si non, que peut-on faire pour améliorer les choses ?
  • Il peut y avoir des problèmes « socioéconomiques » associés au travail interdisciplinaire, en particulier dans les installations partagées en général, en ce qui concerne les interactions entre les professeurs et les professeurs, les professeurs avec les chercheurs industriels et la présence de personnel professionnel (en particulier ceux recrutés dans l'industrie). Il existe des disparités entre ces groupes en ce qui concerne les attentes, la rémunération, la langue et les interactions sociales professionnelles qui peuvent provoquer des frictions. Toutes ces différences doivent être résolues, mais certaines peuvent être difficiles (par exemple, recruter et retenir des ingénieurs en logiciel compétents qui sont très bien payés dans l'industrie et dont la rémunération peut être difficile à égaler pour les universités).

Épilogue

Les nouvelles possibilités passionnantes de la biologie commencent tout juste à être réalisées, grâce aux progrès de la médecine, des produits pharmaceutiques, de l'agriculture, de l'écologie et de la médecine légale. Ce n'est que le commencement. Tout comme la chimie et l'électronique ont contribué à définir le 20e siècle, les sciences biologiques pourraient facilement contribuer à façonner la vie au 21e siècle. Mais la capacité de faire des progrès rapides dans un large éventail de domaines en biologie dépendra dans une large mesure de l'intégration des technologies émergentes avec la recherche biologique. Cela nécessitera une nouvelle vision systémique des sciences biologiques, une compréhension plus cohérente des relations entre les sciences et entre les sciences et la technologie.

Les recommandations et les actions proposées dans ce rapport, si elles sont prises, amélioreront considérablement les progrès des sciences biologiques et donc la qualité de vie au cours du siècle à venir.

La technologie : un catalyseur pour la découverte

Traditionnellement, nous pensons que la découverte scientifique est le moteur du développement technologique, mais c'est souvent le contraire qui est vrai. En fait, il existe une étroite symbiose entre les deux. Surtout aujourd'hui, avec la prolifération apparente de groupes et de centres de recherche multidisciplinaires, il est courant que des groupes de chercheurs poursuivent en même temps la science fondamentale et le développement d'outils. Les chercheurs de toutes disciplines sont habitués au fait qu'ils doivent capitaliser sur les dernières avancées technologiques afin de rester à la pointe de leur domaine. Ainsi, la technologie joue aujourd'hui un rôle clé dans l'avancement de la science biologique, un rôle qui contraste fortement avec son statut traditionnellement bas dans l'entreprise scientifique.

La révolution qui se produit dans les sciences biologiques est basée sur le fait qu'aujourd'hui, l'information biologique peut être déchiffrée et manipulée à un rythme exponentiel. Les informations biologiques se répartissent en trois catégories générales qui représentent des niveaux croissants de complexité : (1) les informations unidimensionnelles de l'ADN - les archives d'informations numériques - avec son langage à quatre lettres (2) les informations tridimensionnelles des protéines, les machines moléculaires de la vie, avec leur langage de vingt lettres et (3) le plus difficile de tous, l'information quadridimensionnelle des systèmes vivants - l'interaction de systèmes complexes comprenant des molécules, des cellules, des tissus, des organes, des organismes, des populations et des communautés - avec son langage encore partiellement défini. Cette dernière catégorie intègre les deux premières et code les traits les plus fascinants des microbes, des plantes et des animaux, y compris les humains individuels et les populations de systèmes vivants.

Les avancées majeures de la science, y compris les sciences biologiques, ont été stimulées par l'application de nouvelles technologies à des défis spécifiques tels que ceux-ci en effet, le dénominateur commun de la majorité des avancées significatives en biologie au cours des dernières décennies a été l'application optimale de la technologie à défi particulier. Dans certains cas, des développements majeurs initialement ciblés sur un domaine ont été appliqués avec beaucoup de succès à un autre domaine. Cette fertilisation croisée interdisciplinaire est devenue une caractéristique de la science américaine. Voici des exemples de domaines qui ont été créés ou fortement stimulés par l'avènement de nouvelles technologies (ou nouvellement appliquées) :

  • Médecine et physiologie, par imagerie par résonance magnétique (IRM) et tomographie assistée par ordinateur (CAT)
  • La microbiologie, par les différentes formes de microscopie électronique
  • Biologie du développement, grâce à la technologie de séquençage de l'ADN
  • La génétique, grâce à la technologie de l'ADN recombinant et aux organismes transgéniques
  • Médecine légale, par PCR et autres technologies de l'ADN
  • La science des écosystèmes, à travers la modélisation mathématique
  • La pharmacologie, par la chimie combinatoire
  • Physique des particules, par les accélérateurs atomiques
  • Météorologie, par satellites de télédétection
  • Astrophysique, par radio et télescope à rayons X.

Et bien sûr, presque tous les domaines de la science et de la technologie ont été stimulés - dans certains cas révolutionnés - par les progrès de l'électronique à semi-conducteurs et l'avènement d'ordinateurs puissants et peu coûteux qui permettent des calculs, une modélisation et une simulation rapides, ainsi qu'un accès rapide. à d'énormes bases de données.

Il est possible de citer, de manière quelque peu spéculative, des exemples de domaines potentiels des sciences biologiques dont le développement pourrait être tiré par les technologies émergentes. Ceux-ci incluraient : la génomique comparative (par des technologies avancées de séquençage rapide) l'écologie des écosystèmes terrestres (par des outils de modélisation à l'échelle, des microcapteurs et la télédétection) la biologie structurale (par des sources de rayons X améliorées et des dispositifs de résonance magnétique nucléaire) la bioinformatique (par du matériel informatique amélioré et des logiciels) biotechnologie (par des technologies de traitement avancées) bioremédiation (par des progrès dans la caractérisation des sites et des capacités de surveillance) et la cellule, le développement et la neurobiologie (par des réactifs et des modalités d'imagerie améliorés).

Le processus de développement et de mise en œuvre de la technologie

Lorsque l'on considère comment faciliter le développement de nouvelles technologies, une question importante est la suivante : comment les nouvelles technologies émergent-elles ?

Certaines percées ont été stimulées par un effort ciblé pour développer des technologies afin de résoudre des problèmes de recherche importants qui étaient limités par la technologie - un processus que l'on pourrait appeler "l'attraction du marché". Par exemple, la taille et la complexité du matériel génétique qui contrôle le la forme et la fonction des systèmes vivants nécessitaient des développements technologiques spectaculaires pour cartographier, séquencer et manipuler l'ADN à haut débit. Les méthodes de cartographie et de séquençage de l'ADN à grande échelle ont évolué pour relever le défi de produire des outils à haut débit. De plus, les technologies de microfabrication qui combinaient un matériau de plaquette de silicium avec des méthodes de matrice chimique en phase solide ont permis de cribler des matrices de séquences d'ADN spécifiques rapidement et avec de petites tailles d'échantillon. Des outils automatisés plus avancés se profilent désormais à l'horizon, basés sur le développement de nouvelles méthodes de microfabrication et d'analyse utilisant des technologies hybrides issues de la biologie, de la chimie, de la science des matériaux, de la physique, de l'ingénierie et de l'informatique. Un calcul et une communication haute performance seront également nécessaires pour traiter, analyser, afficher, rechercher et archiver les énormes ensembles de données.

Dans d'autres cas, de nouvelles technologies émergent à la suite de percées fortuites dans la science fondamentale ou de l'application de principes scientifiques nouvellement découverts. Un bon exemple est le développement de l'imagerie par résonance magnétique (IRM) pour étudier les processus physiologiques chez les plantes et les animaux vivants, y compris les humains. Les physiciens, dans les années 1930, ont caractérisé les propriétés magnétiques des noyaux des éléments dans le but de comprendre la structure du noyau.Les chimistes, à partir des années 1950, ont développé l'outil de résonance magnétique nucléaire pour l'analyse chimique. Par la suite, des biologistes ayant une formation interdisciplinaire en physique et en chimie ont reconnu le potentiel d'exploiter les champs magnétiques pour créer des images des noyaux d'un échantillon. Aujourd'hui, l'IRM est un outil majeur pour étudier les processus physiologiques fondamentaux dans les systèmes vivants et est devenue un outil de diagnostic médical important. Les développements futurs comprendront l'incorporation de technologies de calcul et de communication haute performance pour acquérir, traiter, analyser, afficher, rechercher et archiver des images complexes via des "laboratoires virtuels".

En règle générale, le développement de nouvelles technologies se produit soit par l'innovation industrielle (parfois fortuite, mais le plus souvent sous la forme d'un effort de développement ciblé) ou par la découverte par des chercheurs universitaires (généralement par hasard). Le financement fédéral de la recherche universitaire a été la clé de nombreuses avancées universitaires.

Une fois qu'une technologie existe et est utilisée, il existe une variété de mécanismes par lesquels elle peut être appliquée à des domaines nouveaux et différents. Un véhicule principal est la reconnaissance de son utilité dans toutes les disciplines par les chercheurs qui prennent conscience de la technologie et font le lien créatif avec leurs propres besoins - un processus parfois appelé « poussée technologique ». technologie, en particulier s'ils se présentent sous la forme de modifications spécifiques aux besoins d'un domaine particulier. Les réductions de coûts, généralement grâce à une utilisation plus large et les économies d'échelle qui en découlent, conduisent à une utilisation encore plus large.

Certains des mécanismes traditionnels qui ont bien fonctionné pour produire ce « quotaha ! » de reconnaissance sont la sensibilisation professionnelle par le biais de publications, de conférences et d'autres lieux de communication professionnelle. opportunités technologiques.

Nous pourrions bien nous demander en quoi ces processus de développement et de mise en œuvre de la technologie pourraient être différents à l'avenir. Il est probable qu'il y aura un plus grand nombre d'efforts stratégiques planifiés - en particulier dans le milieu universitaire. Nous sommes également susceptibles de voir plus de collaboration interdisciplinaire. La sérendipité jouera toujours un rôle, mais l'interdisciplinarité des recherches futures créera un nouvel environnement permettant aux créatifs de poursuivre des découvertes scientifiques.

Changer les paradigmes pour la science et la technologie biologiques

Il est évident pour les participants à l'atelier que nous vivons un changement de paradigme majeur dans la manière dont le développement scientifique et technologique est poursuivi. Ce changement de paradigme comporte deux éléments d'égale importance :

  • tout d'abord, l'importance croissante et le développement accéléré des technologies à l'intérieur et à l'extérieur du domaine qui changent la direction, le rythme des progrès et les approches utilisées dans les sciences biologiques et
  • deuxièmement, l'environnement externe de diminution du soutien public, la concurrence croissante avec les institutions non universitaires et le besoin croissant d'alliances et de partenariats avec d'autres institutions universitaires et d'autres secteurs de la société.

L'ère de l'après-guerre, où le soutien public à la science et à la technologie s'étendait et se développait, semble révolue. La science est désormais en concurrence, souvent sur un pied d'égalité, avec une panoplie en constante évolution d'impératifs sociaux de premier plan. Comme le note un récent rapport de l'American Association for the Advancement of Science :*

Les scientifiques et les ingénieurs ont du mal à interpréter le nouveau paradigme créé par les plus importantes coupes budgétaires générales dans l'entreprise de R&D après la Seconde Guerre mondiale.

Ainsi, une question principale à laquelle les participants à l'atelier ont tenté de répondre est la suivante : quels sont les changements de paradigme en évolution qui auront un impact sur le développement de nouvelles technologies applicables à la biologie ? Nous prévoyons que les éléments suivants feront partie intégrante du nouvel environnement de R&D :

  • des budgets fédéraux de R&D plus petits, en particulier dans les technologies civiles et probablement aussi dans les technologies de défense
  • réduction des dépenses de R&D industrielle, en particulier pour la R&D à long terme ou plus risquée
  • forte concurrence mondiale, notamment dans le développement technologique mais aussi, de plus en plus, dans la recherche fondamentale et
  • des taux de développement technologique plus rapides dans le monde (plus de technologie engendre plus de technologie).

Une question corollaire porte sur la manière dont ces changements seront ressentis au niveau du chercheur universitaire ou de l'unité de recherche. Le principal changement, déjà ressenti, est la réduction du financement de la recherche universitaire. Les programmes fédéraux seront consolidés et leurs budgets réduits, nombre d'entre eux seront entièrement coupés. Le financement public de la recherche universitaire est susceptible de devenir beaucoup plus ciblé et stratégiquement ciblé, l'applicabilité directe aux intérêts nationaux étant une considération plus importante. Les forces du marché seront de plus en plus prises en compte dans les décisions de financement. Étant donné que le bassin de chercheurs à la recherche de financement ne diminuera pas immédiatement en réponse, dans un avenir prévisible, il y aura une concurrence accrue pour les fonds disponibles. Le financement industriel de la R&D interne, en particulier des travaux à plus long terme, continuera de baisser.

Il y aura plus de pression pour établir des priorités et des jalons, parmi certains organismes de financement fédéraux, mais surtout dans la recherche universitaire financée par l'industrie. Une concurrence étrangère plus forte dans la recherche et l'éducation maintiendra chez eux bon nombre des étudiants étrangers les meilleurs et les plus brillants - ou du moins dans d'autres pays que les États-Unis - ce qui réduira les revenus des frais de scolarité qui contribuent désormais à soutenir l'effort de recherche universitaire américain. Malgré l'atmosphère de plus grande austérité, la performance de la recherche de pointe nécessitera de plus en plus des équipements de plus en plus sophistiqués et coûteux. En partie à cause des coûts plus élevés, il y aura une tendance continue vers plus de collaboration université-industrie et industrielle. Le soutien industriel à la recherche universitaire prendra de plus en plus la forme de subventions en nature d'équipements et de financements mutualisés pour la R&D collaborative, préconcurrentielle ou générique. Relativement moins de financement industriel sera disponible pour la recherche fondamentale à chercheur unique.

Sur la base de ces prémisses, il est relativement simple de prévoir quels seront les changements majeurs dans la manière dont la recherche et l'enseignement en biologie seront poursuivis dans les établissements universitaires, l'industrie et le gouvernement au cours des 5 à 25 prochaines années. Nous prévoyons que l'expérience éducative deviendra plus interdisciplinaire, avec une exposition plus large à d'autres disciplines et souvent au moins deux directeurs de thèse par étudiant diplômé. Le travail d'équipe sera mis en avant. Les étudiants connaîtront plus d'interactions industrielles à divers moments de leur éducation, en effet, la formation des diplômés sera davantage axée sur le marché du travail industriel. La recherche reflétera également une plus grande interaction industrielle et un pourcentage plus élevé sera de nature appliquée ou quantitative. Les chercheurs du corps professoral acquerront une meilleure compréhension de la culture et des moteurs de l'entreprise. La recherche universitaire en sciences biologiques verra plus d'activités de groupe et plus de partage d'installations.

Ces changements seront radicaux et profonds dans leur impact. À bien des égards, le nouveau paradigme ne sera pas aussi accueillant pour la science et les scientifiques que l'a été le passé. L'environnement sera plus austère et exigeant, tant sur le plan personnel que social. Inévitablement, il y aura (et il y a déjà) une forte résistance à accepter le fait qu'un passage à une nouvelle phase s'est produit. Cette résistance s'observe non seulement de la part des individus mais aussi des institutions. La tentation est de ne pas accepter la réalité du changement jusqu'à ce qu'il soit imposé. Mais de nombreuses attitudes et pratiques de longue date devront changer. Par exemple, il est clair qu'il est nécessaire d'avoir une meilleure compréhension mutuelle des besoins, des moteurs et des conditions d'interaction entre l'industrie et le milieu universitaire (par exemple, concernant les taux de redevances et la propriété intellectuelle en général).

On peut prévoir les grandes lignes de ce nouveau paradigme pour la science, mais on n'en connaît pas encore les conditions exactes ni les règles. Ce que l'on peut dire avec certitude, c'est que l'environnement de la science ne sera pas le même au cours des 25 prochaines années qu'il l'a été au cours des 40 dernières. Ces transformations laissent présager des changements majeurs dans la façon dont les chercheurs doivent aborder leur travail et percevoir leur rôle dans la société. . Au fur et à mesure que les biologistes s'efforcent d'intégrer les nouvelles technologies de manière plus complète et routinière dans leurs recherches, ils ont l'occasion de diriger la communauté scientifique en s'adaptant à ce nouveau paradigme.

Technologies clés

Une grande partie de l'atelier a été consacrée à l'identification des technologies émergentes clés (y compris les technologies déjà appliquées dans d'autres domaines) qui semblent prometteuses pour stimuler les progrès des sciences biologiques. Les participants à l'atelier ont été invités à se préparer à faire des présentations sur plusieurs technologies candidates pertinentes pour leur propre domaine d'expertise, afin d'initier une discussion de groupe ultérieure. (L'annexe A résume ces présentations.)

Le tableau 1 résume les résultats de cette discussion. Le tableau répertorie plus de 30 technologies émergentes, ainsi que les objectifs scientifiques et techniques dont la réalisation est censée faciliter la réalisation, et toute technologie connexe plus spécifique qui sera nécessaire pour réaliser l'application de la nouvelle technologie en biologie. Un petit nombre de ces technologies ont été identifiées comme ayant la plus haute priorité pour le soutien et le développement ultérieur. Ces technologies prioritaires sont détaillées dans le texte suivant le tableau.

Il convient de noter que bon nombre des technologies émergentes identifiées dans le tableau ont un rapport direct avec les domaines de recherche stratégiques identifiés par la NSF qui sont limités par la technologie et qui portent sur les sciences biologiques. Ces grands domaines sont : le changement global, la recherche environnementale et la biotechnologie. Par exemple, la recherche sur le changement global et l'environnement est soutenue par la télédétection, les biocapteurs, la modélisation informatique et les simulations. La biotechnologie est appuyée par de nombreuses technologies apparaissant dans le tableau, notamment : la cartographie, le séquençage et l'analyse de l'ADN la production de molécules biologiques le développement de réactifs de modulation basés sur la manipulation de l'ADN, des protéines et des systèmes complexes l'analyse de systèmes biologiques complexes et réseaux et création et analyse de plantes et d'animaux génétiquement modifiés.

Parmi les nombreuses technologies émergentes identifiées dans le tableau 1, les participants à l'atelier ont identifié les suivantes comme ayant la plus haute priorité pour les sciences biologiques.

  • Bioinformatique, utilisant des réseaux de données, des outils de requête et de récupération, et des techniques d'analyse et de visualisation pour faciliter la recherche
  • Biologie computationnelle appliquée à des systèmes complexes pour faire progresser la biologie structurelle (par exemple, la dynamique moléculaire, les événements chimiques dans les cellules et la dynamique des populations et des écosystèmes)
  • Outils d'imagerie fonctionnelle utilisant l'analyse spectroscopique de réactifs qui servent de biomarqueurs et de biocapteurs, pour détecter la fonction des cellules, des tissus, des organes et des organismes
  • Technologies de transformation et d'expression transitoire pour permettre aux animaux, aux plantes et aux systèmes de culture cellulaire d'être utilisés comme systèmes d'expression pour la production de composés
  • Nanotechnologies (méthodes de micro à nanofabrication) pour la construction de petites machines d'analyse et de sélection.

"Priorité la plus élevée" est, bien sûr, une désignation hautement subjective. Il existe de nombreuses technologies et outils qui sont très prometteurs et méritent d'être soutenus. En effet, les percées scientifiques les plus importantes peuvent provenir de l'une des technologies de la liste (ou peut-être même de certaines non envisagées ici), il est dans la nature de la découverte scientifique que de tels événements ne peuvent pas être anticipés avec confiance.

Cependant, les participants à l'atelier ont convenu que les technologies citées ci-dessus offrent l'applicabilité la plus large dans toutes les disciplines de la biologie pour comprendre la complexité biologique. L'analyse de la complexité - du moléculaire au cellulaire, du système, de l'organisme et de la communauté des organismes - nécessitera ces outils pour l'analyse et la manipulation des systèmes biologiques. Ainsi, leur potentiel est le plus grand car il est le plus polyvalent.

Il vaut la peine de discuter plus en détail de ces cinq technologies, en termes de (1) leur nature, (2) leurs applications probables, (3) leurs impacts potentiels et (4) les goulots d'étranglement du développement (actuels ou attendus).

Bioinformatique. La bioinformatique implique tous les aspects de l'informatique de pointe et de l'ingénierie. Il comprend l'acquisition à grande vitesse de données biologiques, suivie du traitement à haut débit, de l'analyse, de l'archivage, de la recherche et de la récupération de données, de la mise en réseau et de l'affichage d'ensembles de données biologiques complexes. Il s'agit peut-être de la technologie émergente la plus répandue en termes d'applications pour la recherche biologique.

De grandes bases de données qui peuvent être consultées et analysées avec des outils sophistiqués deviendront au cœur de la recherche et de l'enseignement en biologie. Le contenu informationnel de la génomique des organismes, de la dynamique moléculaire des protéines et de la dynamique des populations, pour n'en citer que quelques-uns, est énorme. Les biologistes constatent de plus en plus que la gestion d'ensembles de données complexes devient un goulot d'étranglement pour les avancées scientifiques. Par conséquent, la bioinformatique deviendra rapidement une technologie clé dans tous les domaines de la biologie.

Les goulots d'étranglement actuels en bioinformatique comprennent la formation des biologistes à l'utilisation d'outils informatiques avancés, le recrutement d'informaticiens dans ce domaine en évolution, la disponibilité limitée de bases de données développées d'informations biologiques et le besoin de moteurs de recherche plus efficaces et intelligents pour bases de données. Des structures de données et des interfaces utilisateur communes seront nécessaires pour tirer parti des investissements dans le développement de logiciels.

Biologie computationnelle. La biologie computationnelle implique l'utilisation d'outils informatiques pour découvrir de nouvelles informations dans des ensembles de données complexes et pour déchiffrer les langages de la biologie (par exemple, les informations unidimensionnelles de l'ADN, les informations tridimensionnelles des protéines et les informations quadridimensionnelles de la vie systèmes).

Les applications de la biologie computationnelle sont vastes. Ils comprennent : l'analyse de la structure des macromolécules basée sur des données à haute résolution la prédiction de la structure à partir de séquences de protéines et d'acides nucléiques la prédiction de la dynamique des populations la conception moléculaire d'organismes modifiés la phylogénie moléculaire et les prédictions de l'évolution future. L'utilisation des fractales, de la théorie du chaos et des systèmes basés sur l'intelligence artificielle/la connaissance pour explorer la complexité de la biologie deviendra importante.

Les goulots d'étranglement à la poursuite du développement comprennent la disponibilité d'ordinateurs performants pour la puissance de calcul le mauvais état des bases de données la formation des biologistes à l'utilisation d'outils informatiques avancés le recrutement d'informaticiens dans ce domaine et le faible niveau de développement de tous les composantes de la bioinformatique.

Imagerie fonctionnelle de la dynamique chimique et moléculaire de la vie. Les technologies qui ont évolué pour permettre l'imagerie fonctionnelle des systèmes vivants comprennent : l'instrumentation pour l'acquisition d'images basée sur l'une des méthodes spectroscopiques telles que la fluorescence et la résonance magnétique nucléaire (RMN) le logiciel pour le traitement, l'analyse, l'affichage, l'archivage et la recherche de données d'image -les bases et les réactifs développés comme activateurs de contraste et/ou biocapteurs d'activités chimiques spécifiques. L'intégration de ces technologies a créé une nouvelle technologie pour mesurer et manipuler la dynamique chimique et moléculaire des systèmes vivants. Les méthodes optiques légères permettent l'exploration de la dynamique moléculaire et chimique de molécules individuelles, de domaines subcellulaires, de cellules entières, de populations de cellules, de tissus, d'organes et même d'organismes entiers. Les technologies d'imagerie RMN permettent certaines investigations subcellulaires jusqu'à des organismes entiers, y compris l'homme. Par conséquent, des outils deviennent rapidement disponibles pour étudier la dynamique des molécules à l'homme.

Les applications probables incluent la recherche fondamentale en biologie où la cellule vivante ou l'organisme entier est traité comme une "microcuvette vivante" pour mesurer et manipuler la dynamique spatio-temporelle des processus chimiques et moléculaires qui produisent des fonctions spécifiques. La richesse des connaissances biochimiques et moléculaires acquises in vitro peut désormais être étendue aux systèmes vivants. Par conséquent, les mécanismes des fonctions peuvent être définis en cartographiant littéralement les événements biochimiques et moléculaires spécifiques dans le temps et l'espace. Les mécanismes de base des fonctions cellulaires telles que la locomotion cellulaire, la division cellulaire et l'endocytose peuvent être définis. On peut définir les mécanismes de base responsables de la tenue du développement des organismes. Les systèmes vivants peuvent être étudiés depuis le stade unicellulaire jusqu'à l'âge adulte. Les mêmes technologies peuvent également être appliquées à des problèmes appliqués tels que des méthodes avancées de dépistage toxicologique, de découverte de médicaments et de tests de diagnostic.

L'impact de cette technologie devrait être énorme. La capacité de cartographier des événements chimiques et moléculaires spécifiques dans les systèmes vivants permettra d'étudier les informations quadridimensionnelles responsables de la vie. En outre, le développement de la technologie pour la recherche fondamentale devrait changer radicalement les méthodes utilisées en toxicologie, en découverte de médicaments et en diagnostic clinique.

Les goulots d'étranglement du développement incluent l'application de calculs haute performance pour acquérir, traiter, analyser, afficher, archiver et récupérer des ensembles de données d'images complexes. L'objectif sera d'effectuer toutes ces fonctions en temps réel, il doit donc y avoir une communication efficace et ultra-rapide du matériel d'imagerie au matériel de calcul et aux performances du logiciel. De nouvelles classes de détecteurs sont nécessaires qui ont les spécifications de performance, mais qui sont à un prix raisonnable pour les chercheurs biomédicaux. De plus, de nouvelles classes de réactifs sont nécessaires pour améliorer le contraste de molécules et/ou de processus spécifiques ainsi que pour détecter des événements chimiques et moléculaires spécifiques. Un défi majeur/goulet d'étranglement est de construire les réactifs nécessaires en utilisant le génie génétique. L'objectif est de produire des molécules, des lignées cellulaires et des organismes qui expriment le ou les réactifs optimaux pour mesurer des processus chimiques et moléculaires spécifiques.

Technologie de transformation. Le développement récent le plus révolutionnaire dans les sciences biologiques est la méthodologie de manipulation des molécules d'ADN et d'introduction d'acides nucléiques sous une forme génétiquement compétente dans les cellules. L'ADN introduit peut être intégré dans l'ADN nucléaire ou autre d'une cellule de telle sorte que les gènes codés dans l'ADN soient exprimés et que l'ADN soit répliqué et transmis aux cellules descendantes. Dans ce processus de transformation génétique, un nouveau gène est introduit dans l'organisme, augmentant potentiellement la valeur de sa descendance. Une méthodologie qui est distincte de la transformation génétique et qui a un grand potentiel pour les applications biotechnologiques est "l'expression transitoire". Les vecteurs d'expression transitoire sont généralement basés sur des génomes de virus, de sorte que la molécule d'ADN ou d'ARN introduite peut médier sa propre réplication, augmentant ainsi considérablement le nombre de copies de l'acide nucléique introduit.À l'heure actuelle, la fraction d'expérimentations animales ayant démontré l'expression d'une nouvelle protéine est d'environ deux ordres de grandeur plus élevée pour les systèmes d'expression transitoires que pour la transformation génétique.

Les applications probables incluent les nouveaux produits végétaux et les nouveaux produits issus d'animaux domestiques, y compris les aliments, les fibres, les matières premières chimiques, les bioplastiques et les « produits pharmaceutiques acceptables » sous la forme de protéines adaptées aux besoins de chaque patient (par exemple, pour induire une immunotolérance). Parmi les impacts potentiels figurent les nouveaux produits biotechnologiques produits à partir de l'énergie solaire. Il existe quatre principaux goulots d'étranglement au développement : (1) une compréhension très limitée des processus par lesquels l'ADN est transféré de cellule à cellule et est intégré dans le génome de la cellule cible (2) le manque de compréhension scientifique de la régénération de plantes à partir de cellules individuelles et animaux à partir d'embryons ou de cellules fusionnées (3) des informations incomplètes sur les mécanismes de contrôle de la transcription, de la traduction et de la modification post-traductionnelle des protéines et (4) le besoin de plus d'informations sur les processus métaboliques et la physiologie animale et végétale pour exploiter pleinement ces technologies.

Nanotechnologies. Les nanotechnologies représentent une technologie remarquable qui aura de vastes implications dans de nombreuses sciences, dont la biologie. Cette technologie utilise des techniques de fabrication microélectronique pour intégrer des capteurs mécaniques et biologiques, une puissance informatique et des sorties électromécaniques dans une micropuce intégrée. La capacité de détecter, de calculer et de se déplacer dans des dimensions microscopiques ouvre des opportunités dans la recherche biomédicale fondamentale ainsi que dans la recherche appliquée.

La technologie fournira des applications in vitro et in vivo. Des applications in vitro se produiront au niveau macro, par exemple en déplaçant des cellules en position dans des cultures cellulaires/tissulaires pour former des synapses afin de construire des circuits neuronaux spécifiques ou de construire d'autres tissus spécialisés. La technologie permettra également des stratégies de tri cellulaire flexibles et complexes. Les applications au micro-niveau incluront le déplacement de molécules ensemble d'une manière hautement contrôlée et peut-être la navette de molécules spécifiques à l'intérieur et à l'extérieur des cellules. Un autre type d'application est l'instrumentation de laboratoire pour effectuer une séparation électrophorétique et chromatographique à grande vitesse de molécules sur des puces de silicium. La nanotechnologie aura également une multitude d'applications in vivo, y compris la mesure in situ des paramètres sanguins dans les vaisseaux sanguins et les organes, la mesure et la libération localisée de produits chimiques pour réguler les systèmes homéostatiques malades ou défectueux (par exemple, la surveillance de la glycémie, de l'oxygène, de la température du cerveau) , et la réparation des tissus nerveux endommagés (par exemple, par détection électrique puis libération contrôlée et localisée de neurotransmetteurs). La technologie peut également permettre une nouvelle forme de réparation microchirurgicale, avec un grand nombre de "nanomachines" travaillant de concert (sous contrôle informatique) pour réparer, par exemple, des artères obstruées ou pour enlever des tumeurs et d'autres tissus.

Le développement d'une nanotechnologie hautement sophistiquée et orientée vers la biologie aura un impact profond sur la recherche biologique, la pratique médicale et peut-être l'industrie pharmaceutique. De toute évidence, la capacité d'effectuer une chirurgie sans incision, de remplacer les tissus malades ou défectueux et de réguler de manière endogène les systèmes qui nécessitent désormais un traitement exogène (par exemple, le diabète) pourrait révolutionner la pratique médicale. De plus, la capacité de contrôler les aspects spatiaux et temporels de la façon dont les molécules interagissent peut conduire à des gains d'efficacité considérables dans la production de nouveaux médicaments.

Probablement, cependant, la technologie de fabrication électronique dépassera de loin la biologie. De nombreuses utilisations des nanotechnologies nécessiteront une meilleure compréhension de la biologie fondamentale qui est manipulée et, en particulier, de nouvelles techniques devront être conçues pour interfacer la puce de silicium avec le système nerveux. Par exemple, alors qu'il peut être possible de surveiller l'accélération et la position avec une biopuce qui remplace un canal semi-circulaire défectueux, il peut être impossible d'interfacer efficacement la sortie de la biopuce avec le système nerveux. Ce sera très probablement la fusion du silicium et du tissu qui constituera le plus grand défi des nanotechnologies in vivo.

S'adapter avec succès au paradigme changeant de la recherche et de la technologie biologiques nécessitera des changements dans les organisations qui parrainent et poursuivent ce travail, ainsi que dans l'infrastructure de soutien. Cela exigera de la flexibilité et une volonté de changer - le cas échéant - la structure, les politiques, les pratiques et les attitudes prévalant dans les agences gouvernementales, dans l'industrie et dans le monde universitaire. En tant que sponsor majeur de la recherche en sciences biologiques, le rôle de la NSF est particulièrement critique.

Un certain nombre de suggestions données ci-dessous sont nouvelles et, à notre avis, originales pour ce groupe d'ateliers plutôt productif, elles sont spécifiques à la question de savoir comment faciliter la fusion des nouvelles technologies avec la biologie. Cependant, certaines des questions abordées dans cette section ne sont pas nouvelles et se sont déjà posées dans d'autres contextes. Nous pensons que la situation a changé maintenant que ces questions arrivent à point nommé et doivent être réexaminées.

Adaptations institutionnelles

Organismes gouvernementaux. En tant que principale source de financement, et donc en tant qu'institutions qui établissent les grandes orientations de la recherche biologique et du développement technologique, les agences gouvernementales en général ont une énorme influence sur le type et la quantité de recherche effectuée. Grâce à la définition et à la gestion du programme, à la formulation des sollicitations de propositions et aux critères de financement, ils peuvent apporter un changement rapide - ou l'empêcher. Nous suggérons que ce qui suit accélérera le développement de technologies émergentes et leur application aux sciences biologiques appropriées :

  • Faciliter le franchissement des frontières disciplinaires. La plupart des technologies sont indépendantes des spécialisations de recherche disciplinaires établies. Développer à la fois une conscience des opportunités technologiques et la capacité de les appliquer ou de les adapter efficacement nécessite presque toujours soit des connaissances interdisciplinaires de la part d'un individu, soit des équipes interdisciplinaires d'individus. Le financement de l'enseignement et de la recherche interdisciplinaires pour les individus et les groupes (comme dans les centres de recherche) - notamment entre la biologie et les sciences physiques ou informatiques et l'ingénierie - est le moyen le plus direct d'atteindre ces résultats.
  • Encourager la collaboration interinstitutions. En cette ère de budgets rigoureux, il est important de rechercher des opportunités pour les agences ayant des intérêts et des programmes complémentaires de collaborer au développement et à l'application de technologies en biologie. Un exemple pourrait être des programmes conjoints entre la NSF et les National Institutes of Health, la NASA, l'Environmental Protection Agency ou les départements de l'Énergie et de l'Agriculture.
  • Être flexible. En général, les bailleurs de fonds doivent se concentrer davantage sur le "produit" (progrès rapides de la biologie) que sur le processus traditionnel. Cela demande de la flexibilité dans la recherche d'opportunités technologiques et le développement de programmes de manière proactive pour tenter de capitaliser sur ces opportunités dans un mode de réponse rapide.

Industrie. Une grande partie du développement technologique actuel est réalisée dans l'industrie. Sous une forte pression concurrentielle et des budgets serrés, les responsables industriels ont souvent du mal à voir la nécessité d'efforts de développement technologique spécifiques, en particulier s'ils sont relativement coûteux et/ou à long terme. Le partage des charges financières et le maintien des liens avec ceux qui peuvent fournir à la fois la justification et une partie du marché pour les nouvelles technologies - à savoir les chercheurs universitaires - sont des moyens importants de maintenir à la fois l'élan et la perspective du développement technologique. Quelques suggestions spécifiques :

  • Former des consortiums. L'assouplissement des restrictions antitrust au cours des années 1980 a permis aux entreprises de se regrouper pour poursuivre en collaboration des recherches « préconcurrentielles ». De telles entreprises communes deviennent maintenant monnaie courante dans de nombreux domaines du développement technologique, des batteries automobiles aux matériaux composites en passant par la microélectronique, et sont généralement tout à fait réalisables et réussies. Des organisations similaires dans le domaine de la science et de la technologie biologiques devraient être créées.
  • Travailler avec des chercheurs universitaires. Des interactions plus étroites entre les biologistes universitaires et les industries basées sur la biologie, de la biotechnologie aux produits pharmaceutiques en passant par l'agriculture, seraient sans aucun doute fructueuses. Les mécanismes comprennent des projets de recherche conjoints ou collaboratifs, des installations conjointes pour la recherche fondamentale, des séminaires et des conférences conjoints et des accords de consultation.
  • Mettre en place des stages et des congés sabbatiques. L'échange de personnes dans les deux sens entre l'industrie et le milieu universitaire est un moyen très efficace de garantir que les idées, les connaissances et les points de vue peuvent être pleinement partagés. Les chercheurs de l'industrie en résidence dans les universités peuvent s'engager dans des recherches conjointes avec des membres du corps professoral et donner des séminaires, conseiller les étudiants et même enseigner en équipe. Les membres du corps professoral et les étudiants diplômés en stage, ou les professeurs en congé sabbatique dans l'industrie, non seulement transfèrent leurs connaissances à leurs homologues industriels, mais absorbent également les perspectives et les besoins industriels. Les centres scientifiques et technologiques de la NSF parrainent de nombreuses activités de ce type. Le programme de la NSF sur les opportunités de subventions pour la liaison académique avec l'industrie (GOALI) est explicitement axé sur le financement de telles interactions.

Académique. Les universités, bien que bastions de l'éducation libérale et de la recherche intellectuelle, sont peut-être plus conservatrices sur le plan organisationnel que le gouvernement ou l'industrie. Pourtant, c'est dans les universités que se feront la plupart des progrès futurs des sciences biologiques. Mais d'abord, les obstacles à ce progrès doivent tomber. À cette fin, les universités devraient :

  • Acceptez la légitimité de la biologie appliquée et de la bio-ingénierie en tant qu'activités académiques. Le prestige académique et la position dans la communauté savante sont essentiels pour progresser dans ce domaine.
  • Faciliter le franchissement des frontières disciplinaires. À mesure que davantage de fonds deviennent disponibles pour la recherche interdisciplinaire, il est essentiel que les administrateurs universitaires accordent tout le crédit aux décisions de promotion et de titularisation pour la recherche et l'éducation interdisciplinaires, y compris les projets multi-investigateurs.
  • Veiller à ce que le programme de base ait une ampleur suffisante pour permettre un mouvement interdisciplinaire. Une spécialisation disciplinaire très précoce empêche les jeunes chercheurs d'acquérir les connaissances de base nécessaires pour reconnaître et exploiter les opportunités dans les disciplines connexes.
  • Encourager l'interaction industrielle. Comme cela a été décrit ci-dessus dans le cas de l'industrie, les interactions et les échanges de personnel entre les deux secteurs peuvent produire des progrès accélérés dans le développement et l'application des technologies à la biologie. L'exposition industrielle est particulièrement importante pour orienter les étudiants vers la technologie et les façons dont elle est utilisée.
  • Modifier le statut d'occupation pour inclure ceux qui sont enclins à développer des technologies. Le développement de nouvelles technologies de pointe peut être une activité de recherche tout à fait digne d'être reconnue et récompensée par les universitaires. Cependant, refuser la titularisation à ceux dont les talents et l'intérêt se situent dans ce domaine est un moyen sûr de contrecarrer le progrès.
  • Soyez prêt à partager les installations. Dans une ère de ressources rares et d'équipements coûteux, il sera de plus en plus nécessaire pour les institutions et les chercheurs de partager des installations sur une base régionale et même nationale. Des protocoles pour ce faire devront être élaborés. Les réseaux de données électroniques faciliteront ce partage.

Besoins de développement des infrastructures

Des programmes, des politiques et des attitudes de soutien sont nécessaires mais pas suffisants pour le développement et l'application des technologies. Une "infrastructure" de soutien solide est également essentielle - c'est-à-dire les installations de laboratoire, les ressources informatiques et de base de données, les lignes de communication, etc., qui permettent la recherche et le développement de pointe. Tous les éléments suivants nécessitent l'attention du gouvernement, des universités et de l'industrie si ce travail doit aller de l'avant rapidement et avec succès :

  • Installations informatiques - En plus d'un poste de travail sur chaque banc, les réseaux locaux et étendus doivent être facilement disponibles pour communiquer et exploiter un utilitaire informatique composé de superordinateurs parallèles, de moteurs de recherche, de bases de données distribuées et d'autres mécanismes d'information.
  • Réseaux et médias de communication - y compris non seulement l'accès à Internet et les capacités de courrier électronique, mais également la capacité de gérer un trafic de données à haut débit pour les applications multimédias (voix-vidéo-données) dès qu'elles deviennent disponibles.
  • Bases de données - Les principaux besoins comprennent des algorithmes et des langages de requête plus efficaces, de meilleurs outils d'annotation (intégration de la biologie dans la base de données), l'intégration de bases de données et l'interfaçage de bases de données biologiques distinctes avec des types de données très différents. Les bases de données massives distribuées, soutenues par le développement de logiciels, posent un problème de recherche considérable.

De l'avis des participants à l'atelier, l'avenir devrait voir une plus grande spécialisation des installations dans une université. Autrement dit, bien qu'une université puisse identifier un ou quelques domaines d'expertise principaux et regrouper des installations coûteuses autour de ceux-ci, il est probable qu'aucune université n'aura plus que quelques installations spécialisées et coûteuses. Ce sera une réponse pragmatique à la diminution des ressources pour la recherche biologique (et autre scientifique). Les organismes de financement devraient répartir leurs investissements de cette manière, afin de maximiser l'accès aux installations dans l'ensemble de la communauté de la recherche.

Un corollaire de cette projection est l'idée que les installations et instruments de base spécialisés seront partagés au niveau régional ou national. Dans une certaine mesure, les chercheurs se rendront dans les installations et dans une certaine mesure, l'utilisation d'installations spécialisées deviendra électronique, ou « virtuelle ».

Quelques problèmes spécifiques méritent d'être signalés ici. Premièrement, l'utilisation croissante d'instruments qui nécessitent un ou plusieurs techniciens pour superviser l'opération ou effectuer l'opération elle-même signifie que les frais généraux de la recherche vont augmenter. Deuxièmement, la distance d'un chercheur par rapport à son analyse nécessite une attention accrue à l'interprétation des données et à leur signification. Dans cette optique, la formation des étudiants diplômés peut nécessiter une plus grande insistance sur l'interprétation minutieuse des données générées par machine ainsi que sur les statistiques multivariées.

Rôle de la NSF

En tant que principal organisme fédéral de financement de la recherche fondamentale en sciences biologiques, le rôle de la National Science Foundation est essentiel si l'on veut réaliser des progrès rapides. Les participants à l'atelier ont suggéré un certain nombre de changements dans les modes de financement, dans la structure organisationnelle, dans les priorités de sélection des projets et dans les programmes d'éducation.

Changements dans les modèles de financement/soutien. En résumé, les suggestions dans ce domaine sont les suivantes :

  • Offrir un soutien accru à la recherche et à l'éducation interdisciplinaires sur le développement technologique.
  • Fournir plus de soutien pour les petits groupes et les centres d'installations.
  • Soutenir le travail collaboratif au sein et entre les départements et même les universités ("centres sans murs").
  • Sélectionnez soigneusement les membres des comités d'examen des propositions interdisciplinaires, sur la base de l'équilibre et de l'expérience.
  • Tout en initiant ces changements de financement, visant à créer un environnement plus accueillant pour l'enseignement et la recherche interdisciplinaires, il sera essentiel de maintenir le soutien et de reconnaître l'importance centrale du chercheur individuel.
  • Inclure l'utilité sociale et économique (sous la forme de produits commerciaux et de contributions à la qualité de vie et à la sécurité nationale) comme l'un des critères de financement dans l'examen des propositions.
  • Développer un portefeuille d'investissement global plus équilibré, en mettant relativement plus l'accent sur le développement et l'application de la technologie.
  • Trouvez des moyens de jouer le rôle de facilitateur ou de "matchmaker" entre les technologies disponibles et les utilisateurs potentiels.

Changements dans les programmes et/ou les structures organisationnelles. Les suggestions dans ce domaine sont les suivantes :

  • Développer des mécanismes pour faciliter la collaboration entre les directions sur le développement et l'application de la technologie dans les sciences biologiques.
  • Établir des mécanismes pour assurer une meilleure coordination entre la Direction de l'éducation et des ressources humaines et les directions des sciences, en termes de programmes d'enseignement des sciences.
  • Envisagez d'établir un comité interdirectionnel de « fermeture de la base » pour effectuer l'évaluation et la priorisation des programmes à l'échelle de la NSF.
  • Assurez-vous qu'il existe une "clause d'extinction" dans le contrat de chaque centre et installation de recherche financé par la NSF, afin d'optimiser l'investissement dans les technologies émergentes.

Indépendamment des changements d'organisation et de programme, veillez à sauvegarder la mission de la NSF en tant que mainteneur du moteur de la recherche fondamentale.

Évaluation du projet et établissement des priorités. Dans une atmosphère d'austérité budgétaire, les critères d'évaluation et la hiérarchisation deviennent plus critiques. Voici quelques suggestions :

  • Les comités d'examen des propositions devraient être invités à examiner la « vue d'ensemble » des objectifs stratégiques de la direction et le profil de financement actuel. Le personnel de la NSF devrait informer chaque comité sur ces questions.
  • Toutes les bases de données envisagées pour un financement devraient être à la fois manifestement nécessaires et potentiellement autonomes.

Éducation. L'un des obstacles au développement et à l'application des technologies émergentes dans les sciences biologiques est la formation théorique relativement étroite et spécialisée que les étudiants ont tendance à recevoir - même au niveau du premier cycle. En abordant cette question, la NSF peut au mieux être un catalyseur. Les universités elles-mêmes doivent s'attaquer au problème et mettre en œuvre des solutions. Les participants à l'atelier proposent les règles de base suivantes :

  • La formation de premier cycle en biologie devrait être plus large mais plus rigoureuse, avec une exposition approfondie à au moins deux disciplines différentes.
  • Tous les étudiants de premier cycle en biologie devraient être tenus d'avoir une expérience directe de la recherche avant d'obtenir leur diplôme.
  • L'enseignement supérieur en biologie - en fait, dans toutes les sciences - devrait être interdisciplinaire, avec des exigences de cours importantes dans au moins une autre discipline (c'est-à-dire les sciences physiques ou informatiques, les mathématiques et/ou l'ingénierie) en dehors du domaine principal.
  • Les différences de jargon sont un obstacle majeur entre les scientifiques de différents domaines. Les étudiants de premier cycle et des cycles supérieurs en biologie devraient être dotés de la capacité de parler plus d'un "langage" scientifique. Cela peut être réalisé grâce à des cours interdisciplinaires et à la recherche en équipe, en particulier la recherche conçue exposer les étudiants au développement et à l'application de technologies avancées dans d'autres domaines.
  • Idéalement, l'exposition industrielle devrait être une option disponible pour tous les étudiants en biologie, tant aux cycles supérieurs qu'au premier cycle.
  • La NSF devrait financer des bourses de formation interdisciplinaire visant à développer un cadre de chercheurs dont l'expertise est dans le développement et l'application de nouvelles technologies dans les sciences biologiques.
  • La direction BIO, en collaboration avec la direction DSE, devrait établir des programmes de sensibilisation aux sciences et aux mathématiques de la maternelle à la 12e année.

Faire passer le message

Étant donné que la technologie n'a traditionnellement pas occupé une place prépondérante dans la recherche biologique (par rapport à des domaines tels que la chimie et la physique, par exemple), il est nécessaire d'expliquer quelles sont les opportunités et les avantages potentiels - en d'autres termes, de communiquer les changement de cap que doit subir la biologie pour faire face à la complexité biologique.

Dans une large mesure, il s'agit d'un rôle de la NSF dans sa communication avec la communauté des chercheurs. Mais le gouvernement, les universités et l'industrie ont tous la responsabilité de communiquer, au Congrès et au grand public, l'importance de stimuler le développement de technologies émergentes applicables à la biologie.

Tous ces secteurs ont également une nouvelle responsabilité d'éduquer le grand public dans un sens plus formel, et surtout d'améliorer l'enseignement des sciences et des mathématiques afin d'enrichir le vivier de chercheurs potentiels en sciences biologiques. L'éducation K-12 est une clé importante. Les centres de recherche tels que les Centres de science et de technologie se sont avérés d'excellents véhicules pour exposer les jeunes étudiants - et leurs enseignants - à l'excitation de la découverte scientifique et de la poursuite du savoir. Les programmes dans lesquels les scientifiques visitent les classes de la maternelle à la 12e année pour donner des conférences et faire des présentations sont également efficaces. La participation de la maternelle à la 12e année devrait devenir une composante permanente de la vie universitaire.


Dérivés de monosaccharides

Les dérivés des monosaccharides se trouvent dans la nature. Un exemple de dérivé monosaccharidique est la vitamine C, également appelée acide ascorbique, qui est dérivée du glucose. Les succédanés du sucre, tels que le sorbitol et le mannitol, sont utilisés comme édulcorants et se forment naturellement dans les plantes et les baies à partir de monosaccharides comme le glucose et le mannose. Les sucres aminés, tels que la glucosamine, un dérivé du glucose, produisent du cartilage, du tissu conjonctif et de la chitine, un composant de l'exosquelette d'un insecte.

Cara Batema est musicienne, enseignante et écrivaine spécialisée dans la petite enfance, les besoins spéciaux et la psychologie. Depuis 2010, Batema est un écrivain actif dans les domaines de l'éducation, de la parentalité, des sciences et de la santé. Elle détient un baccalauréat en musicothérapie et en création littéraire.


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