CID 54 Méthodes expérimentales, concepts et instrumentation en sciences de la matière et en ingénierie pour le vivant

I. Biophysique et biomécanique

A. Un domaine de recherche très vaste

La biophysique et la biomécanique constituent un vaste domaine de recherche à l'interface de la physique, de la mécanique, des sciences de la vie et de la santé. L'émergence de ce domaine est liée à un besoin fondamental de compréhension du monde vivant, par des approches dépassant les approches traditionnelles de la biologie qui n'ont pas toujours permis, malgré des investissements considérables, de proposer des stratégies efficaces dans des applications à forts enjeux sociétaux (cancer, maladies métaboliques, vieillissement et pathologies associées dont pathologies neurodégénératives, infections nosocomiales, ingénierie tissulaire...).

Ce champ de recherche est représenté dans plusieurs sections du comité national : sections 5 et 11, pilotées respectivement par l'Institut de Physique (INP) et l'Institut de Chimie (INC), pour ce qui concerne l'interface physique-biologie ; sections 9 et 10, pilotées par l'Institut des Sciences de l'Ingénierie et des Systèmes (INSIS), pour la mécanique des systèmes vivants ; section 22, pilotée par l'Institut des Sciences Biologiques (INSB), pour la biophysique cellulaire, l'évolution, le développement et les phénomènes associés de morphogénèse ; et la section 28, co-pilotée par ce même institut et l'INSIS, pour l'ingénierie du vivant et l'ingénierie pour la santé.

Ces thématiques ont parfois pris une grande importance dans ces sections, et nous renvoyons le lecteur aux chapitres correspondants qui mettent bien en valeur les évolutions récentes. Cependant, elles n'en sont généralement pas le cœur, en ce sens que les questions scientifiques abordées, les démarches et les chercheurs impliqués sont souvent marqués par un fort attachement disciplinaire. En parallèle émergent des travaux de biophysique/biomécanique, que souhaite soutenir la CID54, impliquant des objets biologiques de complexité croissante (cellules hautement spécialisées, populations cellulaires organisées, tissus ou organismes vivants, sains ou pathologiques), ce qui nécessite l'interaction approfondie d'un nombre croissant de disciplines. Quelques exemples caractéristiques sont présentés dans le paragraphe suivant.

Si plusieurs pôles de recherche interdisciplinaire majeurs adossés au CNRS (UMRs) se sont constitués, notamment en région parisienne, de nombreuses équipes se développent dans des unités centrées sur d'autres disciplines. Un besoin de structuration nationale est manifeste et s'appuie principalement sur deux GDRs : pour la biophysique, en lien fort avec la communauté des physiciens de la matière condensée et de la matière molle, le GDR 3070 Physique de la cellule aux tissus (CellTiss), rattaché à l'INP, l'INC et à l'INSB ; pour la biomécanique, en lien fort avec la communauté de la mécanique et de l'ingénierie, le GDR 3570 Mécanique des matériaux et fluides biologiques (MECABIO) rattaché à l'INSIS et à l'INSB. Notons que les échanges entre ces deux communautés, se développent. Par ailleurs, d'autres GDRs, rattachés à l'INP et/ou l'INSIS, participent de cette dynamique, en particulier le GDR 3162 Mécanotransduction : genèse, dégradation et réparation des tissus biologiques (Mécanotransduction) et le GDR 3588 Mécanique et physique des systèmes complexes (MéPHY).

Cette dynamique de recherche a conduit à la formation de jeunes chercheurs de grande qualité, avec une très haute maîtrise du langage, des concepts et des outils issus de champs disciplinaires différents. Ce très haut niveau d'interdisciplinarité, inconnu il y a quelques années, est souvent le résultat de parcours atypiques, parfois relativement longs, associant des expériences successives de recherche dans des environnements variés (équipes à dominante « sciences dures » puis à dominante « sciences de la vie » et vice versa, équipes ayant développé une forte culture interdisciplinaire). Il faut noter aussi que cette dynamique a entraîné l'émergence de nouvelles formations interdisciplinaires originales au niveau master mêlant physique, biologie et même mathématiques. Tout cela a conduit à constituer un vivier d'excellents candidats au CNRS, vivier dont la taille est en constante augmentation depuis quelques années.

La plupart des travaux réalisés sont effectués dans des laboratoires de physique ou de mécanique en collaboration avec des biologistes ou bien en intégrant des physiciens dans des laboratoires de biologie. Il faut noter que la démarche inverse (de la biologie vers la physique) est plutôt rare, alors qu'elle serait certainement une option intéressante : au-delà des aspects structurants (interaction pérenne permettant de mieux identifier et investir à long terme dans des créneaux porteurs et originaux, meilleure maîtrise des problèmes d'hygiène et sécurité, meilleure intégration dans les laboratoires des jeunes chercheurs ayant une formation initiale interdisciplinaire), l'apport de la biologie a conduit à plusieurs progrès notables chez les physiciens.

B. Quelques exemples caractéristiques

L'évolution du domaine amène aujourd'hui à aborder des problématiques complexes tant dans la nature et la variabilité des objets biologiques que par la pluralité des modes d'exploration, sollicitations mécaniques (forces, déplacements), conditions physico-chimiques (gradients de concentrations) et/ou que par l'interaction entre un nombre croissant de disciplines. Ainsi le travail de recherche concerne autant les populations cellulaires organisées, telles que les biofilms, les agrégats, les sphéroïdes, les tissus in vivo et in vitro ; les organismes vivants ; mais aussi les cellules hautement spécialisées ou réactives, telles que les ovocytes, les plaquettes sanguines, les cellules ciliées. Les techniques expérimentales d'exploration et d'observation, extrêmement variées sont dans la majorité des cas associées à des approches théoriques de modélisation et de simulation. Ainsi, très souvent dans ce domaine, la CID 54 et la CID 51 sont intimement associées.

Il est donc difficile de décrire cette dynamique de façon exhaustive mais une liste réduite à quelques sujets de recherche récents présentés à la section permet d'appréhender la richesse des thèmes abordés :

– contrôle de la différenciation cellulaire dans des assemblées de cellules par la libération localisée de drogues grâce à des techniques de microfluidique ;

– étude des mouvements morphogénétiques grâce au suivi précis des mouvements cellulaires (tracking) couplé à la mesure locale des contraintes mécaniques pour évaluer les rôles respectifs des morphogènes et de la mécanique dans l'embryogenèse ;

– mesure des forces impliquées dans les phénomènes de fusion membranaire entre deux gamètes pour améliorer notre connaissance de la fécondation à l'échelle moléculaire ;

– utilisation combinée de la spectroscopie optique résolue en temps et du dichroïsme circulaire pour sonder la dynamique de repliement des protéines ;

– étude des mouvements collectifs de cellules épithéliales dans des géométries microfluidiques particulières (écoulements autour d'obstacles, écoulements « en croix »), conduisant à l'apparition de tourbillons. Ces tourbillons, qui pourraient jouer un rôle majeur dans certains stades de l'embryogenèse, sont étudiés avec les outils théoriques utilisés en hydrodynamique des fluides complexes et instabilités élastiques ;

– identification des ingrédients minimaux dans la motilité cellulaire (Listeria monocytogenes est un exemple typique de motilité se produisant sans l'assistance de moteur moléculaire) ;

– étude de la dynamique et de l'étalement d'agrégats de cellules saines et tumorales, ouvrant la voie à une meilleure compréhension de la dynamique de prolifération et d'invasion de cellules tumorales.

Ces exemples sont directement nourris d'une activité biologique à proximité de physiciens, qu'il est difficile d'envisager être menée par des physiciens (ou mécaniciens) sans un rôle actif et permanent de biologistes.