Section 05 Matière condensée : organisation et dynamique

IV. Interface physique biologie

Le terme « interface physique-biologie » désigne en France un domaine scientifique en croissance continue depuis plus de vingt ans. Impulsée initialement par des physiciens souvent venus de la matière molle et des systèmes complexes, de la physico-chimie, de la physique statistique ou de la physique non-linéaire, l'interface physique-biologie recouvre de vastes champs de recherche dont les contours ont évolué et s'attaque maintenant à des questions très biologiques, pour lesquelles la physique apparaît parfois plus comme une façon d'aborder et de réduire un problème que par l'utilisation ou le développement de concepts ou d'instruments physiques.

Pour autant, les physiciens ont un rôle conceptuel, moteur dans les développements méthodologiques et instrumentaux. Les techniques microscopiques d'imagerie optique, acoustique, tomographique ou de cryo-microscopie électronique progressent ainsi que les techniques de nano-micro-manipulation (pinces optiques, magnétiques, micropipettes...) utilisées notamment dans des environnements complexes et couplées à la détection de réponses moléculaires et dynamiques des molécules ou nano-machines étudiées (enzymes, moteurs moléculaires). Ces techniques permettent de soumettre les objets biologiques étudiés à des déformations contrôlées à des échelles nano ou micro-scopiques.

On assiste aussi, ces dernières années, à de grandes avancées en microscopie optique avec des accès notables à la très haute résolution (de l'ordre du nanomètre) et à l'imagerie tridimensionnelle, ce qui laisse entrevoir la possibilité d'imager en temps réel des phénomènes élémentaires de l'activité biologique.

Un des apports majeurs des physiciens concerne les techniques d'application de forces ou de champs aux échelles nano- et microscopiques. Il peut s'agir de lumière pour étudier l'optogénétique, de forces mécaniques (biomembrane force probe, AFM...) pour aborder les questions de mécano-transduction, ou hydrodynamiques (microfluidique) pour étudier notamment la microcirculation sanguine. On note aussi le développement de substrats micro- ou nano-structurés dont les propriétés de rigidité et d'adhésivité influent sur la destinée et les décisions des cellules (différenciation) cultivées sur leur surface. La réalisation de dispositifs tridimensionnels permettant de créer in vitro des environnements mimant les tissus dans lesquels les cellules vivent, et, ainsi, d'observer et de caractériser leur comportement se développe. Les forces sont appliquées à différentes échelles, depuis l'échelle moléculaire (pour étudier par exemple la transcription in situ) à celle des complexes protéiques, des membranes, des cellules et des tissus, voire d'organismes vivants (bactéries par exemple).

En réponse à l'application de forces externes, les physiciens développent et exploitent des méthodes pour détecter la réaction physique ou biologique de systèmes biologiques. On peut citer comme exemples la visualisation et la modélisation des champs de déformation des surfaces (nano- ou micro-structurées) ou des matrices tridimensionnelles sur ou dans lesquelles des cellules se déplacent, des déformations et dynamiques de cellules dans un tissu et le développement continu de nouvelles méthodes de tracking de molécules marquées.

Des études fondamentales sont menées à partir de techniques issues de la physique du solide ou de la matière molle en vue d'applications biomédicales dans le monitoring ou le diagnostic, par exemple dans le domaine des biocapteurs moléculaires ou cellulaires.

Les questions physiques abordées concernent tous les domaines d'organisation du vivant et font souvent intervenir des approches multi-échelles. Les théoriciens abordent de nombreuses questions allant de la structure et fonction de l'ADN, aux questions d'optimisation, de diffusion en milieu complexe et de morphogénèse. À plus grande échelle, ils tentent de modéliser la physiologie et la pathologie des écoulements biologiques, l'hydrodynamique et la diffusion gazeuse dans les poumons et, enfin, ils s'intéressent à la dynamique des populations, aux réseaux d'interaction entre individus de colonies animales et à l'évolution. Les comportements collectifs et les propriétés émergentes d'assemblées cellulaires ou même d'organismes vivants profitent ainsi des avancées les plus récentes de la physique statistique hors d'équilibre et de la physique non-linéaire. Les applications sont nombreuses et concernent en particulier l'embryogenèse, la prolifération tumorale et les biofilms.

Les systèmes biomimétiques ou bio-inspirés sont très étudiés par la communauté. Celle-ci est par exemple très active dans les études des membranes à base de lipides, incluant reconstitution et assemblage de domaines ou dans l'étude de vésicules reproduisant certaines fonctions biologiques (motilité par exemple). Ces travaux trouvent leurs applications en biologie cellulaire et dans la compréhension du trafic intracellulaire. Les systèmes reconstitués multicellulaires tels que les mousses et les émulsions adhésives permettent des études mécaniques en relation avec les phénomènes de développement embryonnaire.

La mécanique et l'hydrodynamique physique sont des thèmes très présents dans la section 05. Une petite partie de la communauté (souvent à la frontière de la section 10) étudie la motilité de micronageurs, de cellules ciliées ou dotées de flagelles ainsi que certains aspects de la réponse mécanique rapide de plantes ou spores. Avec le développement d'outils microfluidiques permettant de contrôler la géométrie des écoulements, la rigidité et la surface des parois ainsi que les contraintes hydrodynamiques appliquées, une communauté croissante s'intéresse à la réponse individuelle de cellules sous flux ainsi qu'à l'organisation des suspensions de cellules, notamment les cellules sanguines.

Enfin, les outils et concepts de la physique sont utilisés pour décrypter les mécanismes physico-chimiques qui contrôlent certaines fonctions biologiques fondamentales (adhésion et migration cellulaire, mécanotransduction, perception mécanique).