Section 11 Systèmes et matériaux supra et macromoléculaires : élaboration, propriétés, fonctions

IV. Systèmes biologiques

L'interface entre la physique et la biologie est un domaine d'activité de la section 11 qui prend de l'ampleur depuis une quinzaine d'années, à l'instar d'une évolution observée au niveau international. Notre section possède une tradition d'interdisciplinarité qui a eu pour conséquences une attraction très importante des physiciens de la matière molle vers la biophysique et une présence très nombreuse de jeunes biophysiciens dans le concours CR. Ce phénomène était déjà signalé dans le rapport de conjoncture de 2006 : « une réflexion doit certainement être menée pour prendre en considération la formidable montée en puissance de l'interface avec la biologie, et traduire en termes de structure d'évaluation et d'animation le dynamisme de cette communauté ». Cette pression a justifié en 2012 la création de la CID54 « Méthodes expérimentales, concepts et instrumentation en sciences de la matière et en ingénierie pour le vivant » qui recrute, entre autres, une partie des jeunes CR biophysiciens. Cependant, un équilibre reste encore à trouver pour ces recrutements entre la CID54 et les sections 5 et 11 qui les recrutaient traditionnellement et continuent d'en recruter certains. Enfin, la question du maintien au-delà de 2017 des recrutements actuellement assurés par la CID54 se pose.

Dans ce domaine, les sous-thématiques développées au sein de la section 11 sont diverses, allant de l'optique pour la biologie jusqu'à la reconstitution de systèmes biologiques, ou les études physiques des objets biologiques par des approches inspirées de la matière molle. Une majorité des sujets d'études des biophysiciens de la section 11 nécessitent et génèrent le développement de nouvelles stratégies d'investigations quantitatives et dynamiques à l'échelle moléculaire. Ces stratégies reposent essentiellement sur des approches optiques du fait des contraintes de manipulation de la matière vivante. Les principaux verrous technologiques relèvent plus de compétences de sections 04 ou 08 spécialisées en optique. Néanmoins leur dépassement exige l'association de compétences en chimie, physique et biologie, pour la mise au point de nouvelles stratégies interdisciplinaires (imageries multi-modales, optogénétique, mécanobiologie...). Cet intérêt transdisciplinaire devrait encore croître dans la décennie à venir, compte tenu de la pertinence des transferts actuels de savoir entre l'état de la matière molle et les organisations moléculaires du vivant tant pour leurs études que leurs modélisations.

A. Mesures à l'échelle de la molécule unique

Au cours des 20 dernières années, les biophysiciens ont développé et perfectionné de nombreux dispositifs expérimentaux permettant d'étudier les propriétés mécaniques et d'interactions de molécules biologiques individuelles. Ces dispositifs s'étendent, sans être exhaustif, du microscope à force atomique (AFM), aux pinces optiques et magnétiques, en passant par des méthodes plus spécifiques comme le « Bio Force Probe » (BFP) et la chambre à flux. Ils ont permis, en particulier, d'étudier les comportements mécaniques de nombreux biopolymères (ADN, ARN, polypeptides) et d'analyser quantitativement des propriétés physiques comme leur longueur de persistance, leurs changements structuraux et leur dynamique de retour à l'équilibre en réponse à une sollicitation transitoire. Dans un second temps, ces techniques ont été améliorées pour permettre une étude fine des interactions entre protéines individuelles ou entre une protéine et ces biopolymères, par exemple, l'adhésion entre protéines individuelles responsables de l'adhésion cellulaire (CAM), l'interaction de ces biopolymères avec des protéines impliquées dans les complexes de transcription/traduction ou réplication, et l'activité (motilité) des moteurs moléculaires. L'ensemble des résultats obtenus par ces techniques a pu être interprété théoriquement (physique statistique à l'équilibre et hors-équilibre). Ces méthodes ont maintenant atteint une grande maturité, même si certaines grandeurs, principalement dynamiques (vitesses de repliement, de changement de conformation des protéines), sont encore inaccessibles et nécessitent d'autres développements expérimentaux.

À ces méthodes, devenues maintenant « traditionnelles », s'ajoutent d'autres techniques comme la translocation de biopolymères à travers des pores nanométriques individuels (protéines transmembranaires) sous l'effet d'un champ électrique. Les développements technologiques récents devraient rapidement permettre de nano-fabriquer ce type de pore de manière synthétique en leur conférant des propriétés parfaitement contrôlées. Les approches microfluidiques combinées à la microscopie de fluorescence ont permis également de faire des avancées significatives dans la compréhension de la dynamique d'assemblage ou de désassemblage des filaments d'actine, à l'échelle du filament individuel.

Finalement, il faut également citer des expériences qui visent à sonder localement les propriétés physiques des cellules, avec des fluorophores ou des « Quantum Dots » fonctionnalisés ou non. Aux échelles moléculaire et mésoscopique, la cellule présente de fortes hétérogénéités spatiales et temporelles (concentrations locales, activité et expression, rhéologie...) qu'il est nécessaire d'élucider pour parvenir à une meilleure compréhension du vivant. Des techniques couplant ultra-microscopie et optogénétique devraient permettre d'obtenir des résultats importants concernant la « topologie physique et chimique » de la cellule en lien direct avec son état physiologique et son expression génétique.

B. Systèmes reconstitués biomimétiques

Les vésicules lipidiques géantes, d'une taille proche d'une cellule de mammifère, ont depuis de nombreuses années été étudiées en tant que modèle biomimétique d'une cellule. Celles-ci sont élaborées à base de constituants lipidiques connus, dont la composition peut être contrôlée. Elles permettent de mieux comprendre les bases de la régulation des changements de forme cellulaire intervenant dans de nombreux processus cellulaires très importants (adhésion, motilité, cytokinèse, communications intra et intercellulaire).

Récemment, ces systèmes modèles ont évolué vers plus de similitude avec la cellule. Outre l'introduction de nouveaux constituants protéiques, l'évolution s'est faite au niveau des méthodes de préparation. De nouvelles méthodes ont vu le jour, notamment grâce à des systèmes microfluidiques, afin d'obtenir des populations plus homogènes en taille et en propriétés physico-chimiques ou à des gels de polymère qui permettent d'encapsuler des molécules biologiques au sein des lipides.

Les mesures de force à l'échelle moléculaire, utilisant des pinces optiques et magnétiques, restent des méthodes privilégiées pour déformer localement les membranes et étudier le rôle de la courbure membranaire sur la répartition spatiale des lipides et protéines, ou étudier des processus d'adhésion intermoléculaire.

Enfin, de nouveaux systèmes biomimétiques reconstitués ont émergé durant ces dernières années pour l'étude fondamentale de processus cellulaires. Ces systèmes sont formés de copolymères à blocs et permettent de former des structures multi-compartimentées appelées « polymersomes ».

C. Physique de la cellule

Dans ce domaine, les approches sont variées et s'intéressent aussi bien aux forces d'adhésion et de friction entre cellules ou avec un substrat, aux propriétés rhéologiques et de motilité de cellules saines ou pathologiques, et aux mécanismes de mécanotransduction induits par des contraintes physiques (stimulations mécaniques, électriques, optiques...). Les techniques utilisées s'étendent des mesures de force sur la membrane cellulaire (pinces optiques ou magnétiques, tirage de tubes membranaires) à des mesures sur les cellules entières par AFM, aspiration par micropipette, microfluidique ou étirement entre plaques. L'association de la microscopie de fluorescence ultra-rapide et de micro-dispositifs de confinement cellulaire 2D ou 3D a permis des avancées significatives dans la compréhension de la mécanotransduction et de ses conséquences sur des processus cellulaires fondamentaux comme l'adhésion, la migration, ou la mitose. Les forces appliquées par une cellule sur son environnement sont mesurées grâce à des substrats de rigidité contrôlée (films, gels, piliers souples). Ces études essentiellement menées en 2D commencent à s'étendre à des cellules évoluant dans des matrices 3D plus proches des conditions biologiques réelles. Les aspects dynamiques de la mécanotransduction et en particulier l'analyse moléculaire de la dynamique du cytosquelette de cellules soumises à des contraintes physiques variées commencent également à être considérés. Enfin, il est très probable que le développement de la microscopie de fluorescence de super-résolution permettra de mieux comprendre au niveau moléculaire les processus biologiques induits par des contraintes physiques sur des cellules eucaryotes ou procaryotes isolées.

Les progrès des méthodes expérimentales, en particulier optiques, rendent désormais possible la confrontation à un niveau quantitatif des prévisions des modèles théoriques avec les mesures. De fructueux allers-retours entre théorie et expérience aboutissent à une meilleure compréhension globale des mécanismes physiques en jeu à différentes échelles dans la cellule. L'activité théorique est particulièrement soutenue en ce qui concerne l'organisation et la dynamique de la chromatine, du cytosquelette et les liens avec les problèmes de motilité et d'adhésion, des membranes et du trafic intracellulaire, et des réseaux moléculaires. À coté des méthodes de physique statistique empruntées à la physique de la matière condensée, les théoriciens utilisent et développent de plus en plus des méthodes d'inférences statistiques permettant d'extraire des informations à partir des données quantitatives. Enfin, les avancées récentes dans le domaine de la physique statistique hors d'équilibre, qui ont suivi la découverte des théorèmes « de fluctuations », commencent à trouver leurs applications dans le domaine de la biophysique cellulaire pour l'étude des moteurs moléculaires, des microtubules et autres assemblages dynamiques.

D. Physique des tissus et organismes

Au-delà des propriétés des cellules individuelles, un intérêt particulier s'est aussi développé autour des comportements collectifs des cellules, qui sont essentiels à la compréhension des propriétés des tissus matures sains ou pathologiques (tumeurs) et des mécanismes de développement de modèles animaux type C. elegans, drosophile, Zebra fish.

Plusieurs projets visent en particulier à étudier les mouvements cellulaires eucaryotes (à l'échelle de la cellule ou du tissu) en réponse à une sollicitation mécanique ou à une blessure. Ce travail effectué en 2D, et qui inclut les mesures de forces impliquées dans le remodelage des tissus, doit être étendu à des agrégats à 3D ou à des assemblées de cellules dans des gels imitant la matrice extra-cellulaire. Des sondes mécaniques internes et externes sont développées pour déterminer les forces auxquelles les cellules sont soumises dans l'environnement 3D d'une tumeur ou les forces qu'elles peuvent exercer dans un tissu en croissance comme dans l'embryon par exemple.

Un autre domaine en expansion est l'étude des mécanismes de formation des biofilms bactériens en fonction des matériaux supports et des espèces bactériennes qui les composent ainsi que l'étude de leur mécanique grâce à des approches de biophotonique associées à des techniques microfluidiques. Le futur du domaine passera certainement par des études de la dynamique des populations bactériennes au sein du biofilm qui deviennent désormais possibles grâce aux techniques de microscopie de fluorescence en super résolution.

La physique des assemblées de cellules (tissu, colonie, biofilm...) a généré une importante activité théorique ces dernières années. Un premier type d'approche consiste à les décrire comme des matériaux continus régis par des équations hydrodynamiques incluant de nouveaux termes qui décrivent l'effet de la division/mort cellulaire, de la motilité des cellules, etc. Ces théories permettent de rendre compte des instabilités et structures hors équilibre inédites qui apparaissent dans ces milieux. À une plus petite échelle, des modèles avec constituants discrets existent également, comme par exemple les modèles inspirés des mousses pour décrire les tissus.

E. Systèmes pour l'innovation thérapeutique

Les matériaux polymères synthétiques et/ou naturels sont actuellement en plein développement en tant que plate-formes d'architecture contrôlée dans les innovations thérapeutiques. Dans ce domaine, les développements portent sur les systèmes pour la délivrance ou le diagnostic in vivo ou pour le diagnostic in vitro en utilisant du sang ou des fluides ponctionnés chez le patient.

Pour les systèmes in vivo, le grand défi est d'arriver à atteindre une cible de façon spécifique, sans que le système immunitaire n'ait « phagocyté » l'objet. Désormais, il est largement accepté que les nanoparticules doivent avoir une taille inférieure à 400 nm pour pouvoir être transportées dans le sang et passer au travers de la paroi des vaisseaux. Un effort particulier est concentré sur l'élaboration de nanoparticules polymères permettant de faire de la « théranostique », c'est-à-dire à la fois du diagnostic et de la thérapie. Notamment, le diagnostic peut être facilité par le suivi de la nanoparticule, à l'aide d'agents de contrastes ou de particules magnétiques incorporés. Pour la thérapie, un ciblage de certains récepteurs cellulaires par des anticorps ou des peptides présentés par les nano-objets permet d'atteindre spécifiquement le type cellulaire visé. Les polymersomes cités ci-dessus (cf. partie B) peuvent également servir de vecteur de délivrance de molécules actives hydrophobes ou hydrophiles. La versatilité de leur composition les rend extrêmement prometteurs dans ce domaine.

In vitro, l'enjeu est de réaliser des analyses à grande échelle, en parallèle, le plus rapidement possible (« high troughput ») et de détecter des quantités toujours plus petites. Ceci est motivé par le fait que les volumes d'analytes ponctionnés chez le patient sont limités et que les agents à rechercher (viraux, bactériens, anticorps, biomarqueurs spécifiques) sont parfois en concentrations extrêmement faibles et doivent être préconcentrés. Un autre enjeu est le développement de tests de diagnostic à faible coût, rapides, entièrement autonomes pour des analyses directes près du patient ou par le patient lui-même (« point of care » devices). C'est pourquoi les dispositifs microfluidiques se sont fortement développés pour réaliser du tri cellulaire et moléculaire dans des puces miniatures (« lab on a chip »). L'incorporation de composés magnétiques au sein des objets à trier permet de réaliser un tri magnétique mais les méthodes optiques et électrochimiques se sont également fortement développées. Des puces à bactéries et à cellules ont commencé à émerger, en utilisant des anticorps spécifiques pour cibler des récepteurs cellulaires. La détection ne requiert pas de marquage préalable et peut être faite par des méthodes optiques très sensibles, de type résonance plasmonique de surface ou électriques. Enfin, d'autres systèmes de tri originaux s'appuient directement sur des différences de phénotype cellulaire (nage, migration, rolling).

Les compétences des chercheurs de la section 11 en physico-chimie de surface les conduisent à contribuer davantage au développement d'outils de diagnostic et d'approches d'ingénierie tissulaire basés sur le contrôle de la chimie et la topographie de surfaces de biomatériaux et à leur fonctionnalisation par des macromolécules d'origine synthétique ou biologique pour stimuler la différenciation cellulaire et tissulaire ou empêcher l'adhésion bactérienne par exemple.

En conclusion, nous souhaitons insister sur la nécessité de trouver à moyen terme une solution pérenne au recrutement et à l'évaluation des chercheurs biophysiciens. Il paraît difficile de revenir à la situation antérieure qui n'était pas satisfaisante car se faisant au détriment des thématiques de cœur de chaque section. Devra-t-elle se faire à nouveau grâce à une commission interdisciplinaire (par définition non pérenne) ou par la création d'une nouvelle section à l'interface physique-biologie ?