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par Aurelie - publié le , mis à jour le

Interactions du vivant avec son environnement physique : de l’échelle cellulaire aux bancs de poisson

 
 

A. Traitement du signal mécanique à l’échelle de la cellule : FRET quantitatif et substrats actifs

 

Mechanical signal processing at the cell scale : experimental approach

Les cellules peuvent ressentir les propriétés physiques de leur environnement grâce à un mécanisme appelé mécanotransduction pour moduler des fonctions essentielles telles que la motilité, l’adhésion ou différentiation. Les interactions moléculaires sont maintenant bien décrites, montrant des réseaux très complexes, cependant, la coordination dans l’espace et le temps des signaux mécaniques et biochimiques n’est pas encore claire. L’objectif principal de mon travail est de comprendre ce couplage mécano-chimique à l’échelle d’une cellule individuelle avec une approche expérimentale. Afin de pouvoir stimuler mécaniquement une cellule vivante et lire sa réponse biochimique en direct, tout en conservant les aspects spatio-temporels (1µm , 0.1s), nous avons dû développer des méthodes innovantes : une méthode de mesure quantitative des biosenseurs FRET et des substrats actifs. L’objectif actuel est de mesurer la fonction de réponse spatio-temporelle de protéines de signalisation après une stimulation mécanique. Le but ultime est de comprendre comment les cellules traitent l’information et en particulier l’information mécanique.

 
Mesure de FRET quantitative :

The QuanTI-FRET method applied to FRET standards

Un défi de ce projet était de pouvoir mesurer de manière résolue dans le temps et dans l’espace l’activité biochimique d’une protéine cible dans une cellule vivante. Cela n’est pas possible avec les méthodes classiques de biologie moléculaire, néanmoins de nouveaux outils ont vu le jour ces dernières années, ce sont les biosenseurs fluorescents. La plupart sont basés sur le principe de « Förster Resonance Energy Transfer » (FRET), soit le transfert d’énergie entre deux fluorophores permettant de sonder des distances de l’ordre de quelques nanomètres et donc des changements de conformation protéique. Ces biosenseurs ont un potentiel énorme mais leur essor est freiné d’une part par la difficulté à les développer et d’autre part par la difficulté à mesurer du FRET de manière fiable dans des cellules vivantes. C’est pour débloquer ce dernier point que nous avons développé une nouvelle méthode de mesure et d’analyse quantitative du FRET au cours de la thèse d’Alexis Coullomb, en collaboration avec les équipes de Don Lamb (LMU Munich) et de Corinne Albigès-Rizo (IAB Grenoble). En repartant des équations physiques de l’acquisition d’un signal de fluorescence, nous avons rafraichi le cadre théorique et proposé une nouvelle méthode de calibration qui permet de mesurer des valeurs absolues de FRET et ouvre ainsi la voie à de nouvelles expériences, au-delà du cadre de la mécanotransduction.
 

  • "QuanTI-FRET : a framework for quantitative FRET measurements in living cells". Alexis Coullomb, Cécile M Bidan, Chen Qian, Fabian Wehnekamp, Christiane Oddou, Corinne Albigès-Rizo, Don C Lamb, Aurélie Dupont. Scientific Reports 10 (1), 1-11 (2020)
  • Cette méthode de mesure de FRET quantitative est l’objet d’un projet de valorisation (Sensofluo) financé par la SATT Linksium.
     

Les substrats actifs :

Magneto-active substrates : stimulation of living fibroblasts with concomitant force measurement.

L’objectif expérimental était de pouvoir imposer une contrainte mécanique à l’échelle d’une cellule unique de manière locale et dynamique tout en essayant de rester le plus physiologique possible, c-à-d via un substrat continu. Pour répondre à ce cahier des charges, nous avons donc inventé un nouveau dispositif expérimental : les substrats magnéto-actifs. En collaboration avec Martial Balland (équipe MicroTiss) et Nora Dempsey (Institut Néel, Grenoble), Cécile Bidan (post-doc) a réussi à fabriquer un substrat déformable sur lequel les cellules peuvent adhérer. Il est constitué d’inclusions magnétiques, micro-piliers en Fer, dans une fine couche d’élastomère (PDMS). Avec une paire d’électro-aimants, nous pouvons exercer une contrainte mécanique aux cellules via leurs adhésions et également mesurer les forces exercées par les cellules elles-mêmes.
 

  • "Magneto-active substrates for local mechanical stimulation of living cells". Cécile M Bidan, Mario Fratzl, Alexis Coullomb, Philippe Moreau, Alain H Lombard, Irène Wang, Martial Balland, Thomas Boudou, Nora M Dempsey, Thibaut Devillers, Aurélie Dupont. Scientific Reports 8 (1), 1-13 (2018)

 
 


 

B. A l’échelle macroscopique : effets collectifs en milieu complexe

 

Un nouveau projet a démarré en 2020 avec P Peyla (simulation numérique et théorie en mécanique des fluides, équipe MoVE LIPhy) et C Graff (éthologie, LPNC, Grenoble). Nous nous intéressons à un phénomène intriguant et quasiment universel, se retrouvant des bactéries à une échelle submillimétrique aux bancs de poissons sur des km, en passant par les foules humaines ou les nuées d’oiseaux. Ces mouvements collectifs résultent d’interactions locales entre individus dont émergent des patterns à grande échelle. Nous abordons cette thématique de manière originale en cherchant à comprendre l’effet d’un environnement physique complexe (flux, obstacles) sur le comportement collectif. Pour cela, nous couplons des approches expérimentales et numériques (P.Peyla) dans le but de modéliser le comportement de groupes de petits poissons d’aquarium (Néon bleus, Paracheirodon innesi). En particulier, nous souhaitons tester l’effet « faster-is-slower » de congestion au passage d’une constriction avec ce système en milieu liquide. Ce phénomène de blocage intermittent est retrouvé aussi bien dans l’écoulement de granulaires et de colloïdes que dans l’évacuation de foules ou de troupeaux. Ce projet est dans la continuité de mon questionnement sur l’interaction du vivant avec son environnement physique mais, bien sûr, à une échelle très différente.
 

  • "Collective orientation of an immobile fish school and effect on rheotaxis" Renaud Larrieu , Catherine Quilliet, Aurélie Dupont, and Philippe Peyla. Phys. Rev. E 103, 022137 (2021)

     
     


     

    Collaborations

     

  • Philippe Peyla, LIPhy, Grenoble
  • Nora Dempsey et Thibaut Devillers, Institut Néel, Grenoble
  • Corinne Albigès-Rizo et Olivier Destaing, IAB, Grenoble
  • Martial Balland, Thomas Boudou, LIPhy, Grenoble
  • Alice Nicolas, LTM, Grenoble
  • Uwe Schlattner, LBFA, Grenoble
  • Don C Lamb, LMU, Munich
  • Joachim Rädler, LMU, Munich
  • Erwin Frey, LMU, Munich
     
     

    Groupe actuel

     

  • Renaud Larrieu, doctorant 1ère année UGA, co-encadré avec Philippe Peyla, équipe MOVE, LIPhy
  • Julien Leblanc, ingénieur de recherche, 2020-2021
     
     

    Alumni

     

  • Alain Lombard, doctorant 2017-2020
  • Alexis Coullomb : doctorant 2015-2018, maintenant postdoc à Toulouse
  • Cécile Bidan : postdoc 2014-2017, maintenant junior group leader MPI Potsdam, Allemagne
  • Sadequa Sultana : postdoc 2017