rapport de stage

Détection d’Organisation
Basée sur la Transmission Bactérienne∗
JULIEN Emmanuel
Resp. D. Olivier, A. Dutot et C. Bertelle
UFR Sciences et Techniques - LITIS
MIASC 2006-2007
23 juin 2007
∗Mots-Clefs : Système, réseau d’interactions, détection d’organisations, auto-
organisation, résistance bactérienne
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Résumé
L’organisation est un concept central dans les systèmes. Dans cet
article, un algorithme basé sur l’environnement bactérien est présenté
pour détecter ces organisations. Ce système est implémenté sous forme
de graphe où chaque noeuds sont les entités et les arcs représente les
interactions. Un ensemble d’échange de code génétique s’effectue entre
les bactéries, attirant ou repoussant les autres bactéries. De organi-
sations détectées emerge avec différentes couleurs, représentant des
morceau d’ADN. Nous proposons un approche qui échange des infor-
mations pour organiser le système. Les méthodes d’accointance et de
connectivité offrent des résultats concluant. Pour un travail futur, nos
méthodes pourraient s’appliquer à des graphes dynamiques.
Abstract
Organization is a central concept in systems. In this paper an al-
gorithm based on bacterial environment is presented for detecting or-
ganizations. This system is mapped to a graph where nodes represent
entities and edges represent interrelations. Set of bacteria exchange a
genetic code, attracting or pushing back other bacteria groups. Detec-
ted organizations emerge with different colors, representing pieces of
DNA. We propose an approach which exchange information for orga-
nize the system. The contact and connectivity methods give a conclu-
sive results. For a futur work, our methods can implement the dynamic
graphs.
Remerciements
Je remercie Cyrille Bertelle qui a bien voulu de moi durant cette année.
Je veux aussi remercier Antoine Dutot, qui m’a beaucoup aidé au début,
au milieu et à la fin du stage, surtout que je peux être un véritable casse-pieds.
Donc merci pour les idées et les conseils.
Merci aussi à Damien Olivier qui a su me montrer les voies inexplorées
et les manques de mon rapport.
Je suis reconnaissant à Cyrille Bertelle, Damien Olivier, Stefan Balev,
Alain Cardon, Bruno Mermet, Adnan Yassine, Dominique Nicolas, Patrick
Person, Fréderic Serrin et les autres pour m’avoir inculqué encore plus de
connaissances.
Et un grand merci à une amie qui a accepté de corriger ce rapport sur le
fil.
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1 Introduction
Selon F. de Saussure, un système est une "totalité organisée, faite d’élé-
ments solidaires ne pouvant être définis que les uns par rapport aux autres
en fonction de leur place dans cette totalité"[5]. Cette définition expose le
concept de "système" comme étant un ensemble d’entités avec des interdé-
pendances, i.e. que le système est composé d’interrelations entre des événe-
ments et des individus, rendant l’ensemble stable ou régulier à long terme.
Ceci assure une robustesse et une solidité des liens dans le système en cas de
longues perturbations aléatoires.
Dans "La Méthode"[8], Edgard Morin propose l’idée "d’organisaction ".
En outre, cette organisation peut être produite par le système lui-même, ainsi
elle peut montrer des traits d’auto-organisation, capacité de s’auto-créer en
produisant ses propres principes d’organisaction de façon continue. Le sys-
tème agit sur et dans l’environnement qui, par des flux et des champs, l’affecte
et l’altère. Le Moigne conçoit cette organisaction comme la conjonction récur-
sive de trois sous-systèmes [6, 9] : éco-organisationnel, auto-organisationnel
et re-organisationnel, i.e. qui produit, qui maintient et qui relie.
Matura et Varela développent plus profondément la définition d’un sys-
tème avec le terme d’autopoïèse, celui-ci est la propriété relative aux sys-
tèmes de vie qui peuvent s’auto-produire de manière permanente, pour créer
continuellement et sans interruption leurs propres états de vie. Le terme fait
référence à la dynamique des structures en équilibre instable, c’est-à-dire des
états organisés (appelés structures dissipatives) qui restent stables pour de
longues périodes en dépit de la matière et de l’énergie qui passent à tra-
vers. Les résultats de l’organisation et du fonctionnement de la vie autopoïé-
tique sont ceux qui produisent leur organisation. Selon Varela "un système
autopoïétique est organisé comme un réseau de processus de production de
composants qui régénèrent continuellement par leurs transformations et leurs
interactions le réseau qui les a produits, et qui constituent le système en tant
qu’unité concrète dans l’espace où il existe, en spécifiant le domaine topo-
logique où il se réalise comme réseau". L’autopoïèse, ou la réorganisation
continue, est donc une catégorie qui peut s’appliquer à la totalité de l’ordre
biologique, et par prolongation à l’ordre social humain, à ne pas confondre
avec la reproduction ou l’autoreproduction.
L’intérêt de ces systèmes provient du fait qu’à un instant, le système est
organisé, ou centralisé, autour d’un "leader", et de ce faite, une détection
des groupes d’agents est possible. L’organisation est donc un concept central
dans le système. Il est représenté en tant que graphe, pouvant par la suite
évoluer (graphes dynamiques), dont les sommets sont les éléments et les arcs
représentent les interactions.
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L’inspiration pour la création de nouvelles méthodes provient d’horizons
très divers, des mathématiques les plus abstraites aux sciences sociales, en
passant par la biologie. L’étude de phénomènes réels est d’ailleurs une source
fertile d’inspiration en ingénierie informatique, où l’étude et la modélisation
des systèmes complexes sont très présentes. Plusieurs modélisations [3] ont
déjà été créées pour détecter des organisations dans un système complexe.
Nous connaissons, par exemple, la méthode de partitionnement du graphe,
tentant de résoudre des problèmes NP-complets, fractionnant le graphe en
sous-problèmes du graphe, i.e. en sous-graphe. Ou encore une méthode de
groupement hiérarchique, qui permet d’organiser un arbre ou dendogramme.
D’autres approches collectives offrent aussi des résultats satisfaisants.
Dans cet article, la nouvelle méthode de détection d’organisations est
basée sur l’échange de matériel génétique entre les bactéries. Ces transferts
aident les bactéries à survivre dans des milieux hostiles, ou encore résister aux
antibiotiques. Ainsi, des groupes s’organiseront en fonction de leurs propriétés
de résistances et de celles de leurs voisines.
2 La résistance bactérienne
Nous savons que dans un environnement bactérien, certaines souches
peuvent être dangereuses au delà d’un seuil de population, ou que dans un
autre contexte environnemental, une bactérie ne survit pas. Dans la méde-
cine moderne, grâce à la découverte par Sir Alexander Fleming en 1928 de la
pénicilline, des maladies jusque-là considérées comme étant incurables sont
devenues soignables. Ces antibiotiques étaient des armes efficaces au milieu
du XXieme siècle, mais se sont révélés être leurs propres points faibles de par
leurs actions sur les bactéries. En effet, les chercheurs ont découvert qu’avec
une dose inadaptée d’antibiotique, des bactéries résistantes voient le jour.
À forte quantité, l’antibiotique détruit plus de souches dangereuses qu’il ne
devrait, laissant place libre aux bactéries ayant un pouvoir de résistance plus
important, donc qui ont survécu à l’antibiotique. A contrario, en quantité
trop faible, la présence de l’antibiotique modifie les bactéries pour qu’elles
deviennent résistantes, tout d’abord au médicament présent, mais aussi, plus
grave encore, à d’autres antibiotiques que la flore bactérienne n’a encore
jamais rencontrés. Cette résistance, découverte par A. Fleming seulement
quelques semaines après celle de la pénicilline, est expliquée simplement dès
lors que nous décrivons la nature même d’une bactérie.
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2.1 La nature des bactéries : chromosomes et plasmides
Escherichia coli située dans la flore intestinale, qui peut provoquer, dans
le cas de souches pathogènes, diarrhées, gastro-entérites, infections du tractus
urinaire, méningites, septicémies, et autres maladies, est constituée, comme
toutes les autres bactéries, d’un organisme unicellulaire, i.e. d’une membrane
enveloppant un unique chromosome. Mais réduites à leur simples attributs,
les bactéries ne peuvent pas survivre assez longtemps. C’est pourquoi, au
cours de l’évolution, les bactéries ont acquis et conservé des informations gé-
nétiques supplémentaires sous la forme de morceaux d’ADN (Acide Désoxy-
riboNucléique) accessoires. Ces morceaux, aussi appelés plasmides, sont sé-
parés du chromosome et se dupliquent indépendamment, comme des micro-
chromosomes.
Ces plasmides offrent à la bactérie des propriétés diverses et variées. Elles
permettent, par exemple, à la bactérie de transformer sa membrane extérieure
pour pouvoir se fixer à une paroi, ou bien résister à un brusque changement
de température. C’est donc bien grâce aux propriétés biologiques de ces plas-
mides qu’une bactérie verra sa longévité s’accroître. Plus concrètement, ce
sont d’autres morceaux de code ADN, appelés transposons, qui s’intègrent
aux plasmides et rendent la bactérie plus résistante.
2.2 Un mécanisme de résistance
La résistance aux antibiotiques se localise donc sur ces micro-chromosomes.
Différents processus de transfert ont été découverts. Tout d’abord, il faut sa-
voir que la résistance n’est pas à proprement parler un plasmide, mais plutôt
un morceau de code génétique qui s’accroche à un plasmide, ou dans cer-
tains cas au chromosome ce qui rend la bactérie totalement résistante. Les
plasmides, libres de toutes contraintes chromosomique, peuvent échanger la
résistance par transpositions ou transductions, respectivement échange bacté-
rien par contact (Figure 1), i.e. lorsque les deux bactéries entrent en contact,
leurs plasmides peuvent passer d’une bactérie à l’autre ; et récupération du
code dans l’environnement par aspiration grâce aux bactériophages.
Le mécanisme de mitose, des plasmides ou de la bactérie permet, quant à
lui, de propager le gène résistant de génération en génération. Mais il existe
aussi le système de mutation offrant à la bactérie une résistance, qui n’est
effective qu’au bout de 10 à 100 milliards de mutations. Étant donnée la fré-
quence de ces mutations, il convient de considérer cette méthode de résistance
comme négligeable, et donc de se focaliser sur la transmission horizontale des
plasmides, i.e. par échange de transposons.
Nous cherchons à détecter des organisations avec la bio-inspiration bac-
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