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publié le , mis à jour le

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

 
 

A. Le FRET comme outil pour mesurer la biochimie en temps réel dans les cellules, FRET quantitatif et biosenseurs

 

Mesure de FRET quantitative :

The QuanTI-FRET method applied to FRET standards

Mesurer de manière résolue dans le temps et dans l’espace l’activité biochimique d’une protéine cible dans une cellule vivante est un défi important. 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. Ce travail a été financé par l’ANR (PDOC DeMeTr 2013).
 

  • "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.
     

Application aux biosenseurs FRET, cas de l’AMPK :

En collaboration avec l’équipe d’Uwe Schlattner (LBFA, Grenoble), nous travaillons à utiliser la méthode QuanTI-FRET pour mesurer le biosenseur AMPfret en cellules vivantes. C’est un biosenseur basé sur la protéine kinase AMPK qui rapporte le ratio AMP/ADP au sein de la cellule. Il permet de mesurer l’état énergétique de cellules vivantes de manière résolue dans le temps et l’espace. La difficulté ici est que l’AMPK est constituée de différentes sous-unités et les deux fluorophores impliqués dans le FRET ne sont pas sur la même sous-unité. La stoichiométrie donneur-accepteur n’est donc pas bien définie et nécessite des développements d’analyse permis dans le cadre de la méthode QuanTI-FRET. Ce travail est financé par l’ANR (PRC betaFRET 2021).
 

  • • “Synthetic energy sensor AMPfret deciphers adenylate-dependent AMPK activation mechanism”. Martin Pelosse, Cécile Cottet-Rousselle, Cécile M Bidan, Aurélie Dupont, Kapil Gupta, Imre Berger, Uwe Schlattner. Nature communications 10 (1), 1-13 (2019)

 
 


 

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

 

Un nouvel axe a démarré en 2020 avec P Peyla (simulation numérique et théorie en mécanique des fluides, équipe MoVE LIPhy) et C Graff (éthologie, LPNC, Grenoble) puis T Métivet (INRIA, Grenoble). Nous nous intéressons à l’émergence spontanée d’un mouvement ordonné dans un système composé d’un grand nombre d’individus. Ce phénomène intriguant et quasiment universel se retrouve 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 de nage de petits poissons d’aquarium (Néon bleus, Paracheirodon innesi). Nous cherchons en particulier à interroger le couplage entre leurs interactions sociales et leurs interactions hydrodynamiques, qui pour l’instant ont essentiellement été étudiées séparément. Pour cela, nous combinons une approche expérimentale en environnement contrôlé livrant des mesures quantitatives avec une approche numérique couplant la résolution directe de l’hydrodynamique en 3D avec un modèle cognitif (P.Peyla, T. Métivet INRIA). Dans un premier temps, 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. Des expériences plus complexes contrôlant le flux et le positionnement d’obstacles sont en cours de développement. Ce travail est financé par l’ANR (PRC FISHSIF 2021).
 
à venir : nous organisons un workshop à Cargèse en 2024 sur les mouvements collectifs dans le vivant et chez les robots
 

  • "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)

     
     


 

Travaux passés

 
Substrats magnéto-actifs pour l’étude de la mécanotransduction

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

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 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.Ce travail a été financé par l’ANR (PDOC DeMeTr 2013).

 

  • "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)
     

    Collaborations

     

  • Philippe Peyla, LIPhy, Grenoble
  • Christian Graff, LPNC, Grenoble
  • Thibaut Métivet, INRIA, Grenoble
  • Uwe Schlattner, LBFA, 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
  • Don C Lamb, LMU, Munich
  • Joachim Rädler, LMU, Munich
  • Erwin Frey, LMU, Munich
     
     

    Groupe actuel

     

  • Renaud Larrieu, doctorant 2ème année UGA, co-encadré avec Philippe Peyla, équipe MOVE, LIPhy
  • Océane Terral, doctorante 1ère année UGA, co-encadrée avec Cécile Delacour, Institut Néel
     
     

    Alumni

     

  • Julien Leblanc, ingénieur de recherche, 2020-2021
  • Alain Lombard, doctorant 2017-2020, maintenant enseignant en classe prépa
  • 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, maintenant ingénieure en recherche biomédicale dans le privé.