Laboratoire Jean Perrin

Le Laboratoire Jean Perrin (LJP) rassemble un groupe de scientifiques intéressés par la recherche aux frontières entre la Physique et la Biologie et c'est bien là l'identité essentielle du laboratoire.

Les activités de recherche du LJP couvrent un large éventail de domaines, de la physico-chimie à la physique statistique théorique en passant par la matière molle condensée, et sont ainsi organisées en "Thèmes" de recherche distincts. Cependant, tous ces thèmes sont unis par le fait qu'ils abordent les phénomènes biologiques par des méthodes basées sur la physique.

Dans certaines thématiques, les chercheurs du LJP travaillent directement avec des systèmes biologiques modèles vivants entiers comme dans le cas des recherches menées sur la neurobiologie du poisson zèbre et sur la physique et la biologie quantitative des systèmes bactériens. Dans d'autres thèmes, des modèles synthétiques bio-inspirés sont élaborés et étudiés pour répondre à différentes questions biologiques.

C'est le cas dans les études consacrées aux propriétés des systèmes membranaires et à la morphologie des mitochondries, dans les recherches menées sur la mécanique du contact dans le cadre de la perception tactile et de la mécanique tissulaire et dans les recherches concevant des systèmes réactifs moléculaires pour explorer les lois de la morphogenèse liées à la processus de réaction-diffusion.

La situation est quelque peu différente concernant les activités théoriques avec un éventail encore plus large de questions allant de l'échelle des molécules individuelles à l'échelle des populations mais encore une fois avec le dénominateur commun de s'inspirer des systèmes biologiques.

Les activités de recherche du LJP s'organisent autour de 7 thématiques :

  • Comportement du poisson zèbre et imagerie calcique : Les progrès rapides des neurosciences modernes s'appuient fortement sur les avancées technologiques, tant pour la stimulation, où un effort important est dirigé vers la production d'environnements sensoriels complexes (de type naturel), que pour les enregistrements neuronaux, où le principal défi est d'obtenir des mesures à long terme de l'activité d'une fraction significative des neurones avec une résolution unicellulaire sur des animaux intacts. Notre objectif est de développer des outils expérimentaux pour résoudre ces deux problèmes sur un modèle animal spécifique, à savoir les larves de poisson zèbre.
  • Biophysique des micro-organismes : Les micro-organismes représentent les formes de vie dominantes sur Terre. Ils présentent une grande diversité de formes géométriques, de comportements et d'habitats. Nous nous intéressons particulièrement aux bactéries. Leur taille - de l'ordre du micron - et leur durée de vie - de l'ordre de quelques heures - permettent d'explorer du niveau de la cellule unique à des populations hétérogènes et socialement organisées. Nous étudions ces systèmes en nous basant sur le développement de dispositifs microfluidiques microfabriqués dédiés, couplés aux avancées les plus récentes de la génétique et des approches de vidéo-microscopie et d'imagerie de fluorescence. Notre objectif est de comprendre les mécanismes qui sous-tendent le comportement de ces systèmes dans des environnements contrôlés, en dévoilant les relations causales liant leurs propriétés physiques et biologiques.
  • Approche biomimétique de la perception tactile et de la mécanique du contact : Notre programme de recherche porte sur les processus de mécanotransduction selon 3 axes complémentaires, de l'échelle de longueur macroscopique jusqu'aux échelles de longueur moléculaire et cellulaire, en utilisant des approches biomimétiques et un système biologique simple. A l'échelle de longueur macroscopique, nous étudions la perception en bouche de fluides complexes. Aux échelles de longueur moléculaire/cellulaire, nous concevons des mécanorécepteurs modèles stimulés dans des conditions mécaniques contrôlées. Nous explorons également les processus de mécanotransduction impliqués dans un micro-organisme eucaryote unicellulaire, la paramécie. Plus récemment, nous avons commencé à étudier la mécanique des tissus dans les systèmes biomimétiques.
  • Morphogenèse dans les systèmes moléculaires : Nous nous inspirons du développement précoce de l'embryon pour concevoir des systèmes biochimiques synthétiques capables d'auto-organisation spatio-temporelle. L'objectif de notre approche biomimétique est double. D'une part, en étudiant des systèmes moléculaires simples, semblables à la physique et contrôlables qui conservent les caractéristiques essentielles de leurs analogues biologiques, nous espérons fournir de nouvelles informations sur l'émergence de comportements biologiques complexes, tels que la régulation des gènes et la morphogenèse. D'autre part, ces systèmes moléculaires dynamiques peuvent être considérés comme un nouveau type de matériaux "vivants" capables de s'adapter et de répondre de manière autonome à leur environnement. A cette fin, nous utilisons essentiellement des systèmes basés sur des réactions d'hybridation d'acides nucléiques car leur réactivité peut être facilement prédite par, grosso modo, les règles d'appariement de Watson-Crick. Ces systèmes s'auto-organisent dans l'espace et dans le temps grâce à deux mécanismes archétypaux : la réaction-diffusion et la matière active.
  • Plasticité des biomembranes et fonction cellulaire : Nous nous intéressons particulièrement aux membranes mitochondriales. Dans les cellules eucaryotes, les mitochondries sont des organites clés pour la production d'énergie et l'apoptose qui fusionnent et se divisent constamment. Deux membranes constituent leur enveloppe, avec des niveaux de perméabilité différents. Une caractéristique des membranes mitochondriales internes (IMM) est la présence d'invaginations dynamiques appelées « crêtes ». Ces nanostructures (20-50 nm), riches en un phospholipide mitochondrial spécifique, la cardiolipine (CL), peuvent changer de forme et de densité en fonction de la demande énergétique. Leur intégrité relative est généralement considérée comme un indicateur pertinent de l'état fonctionnel des mitochondries, puisque les crêtes contiennent les complexes OXPHOS responsables de la production d'ATP et qu'elles séquestrent le Cytochrome C dont la libération est impliquée dans la signalisation apoptotique. Des altérations spécifiques de la morphologie des crêtes induisent des dysfonctionnements mitochondriaux (dans le syndrome de Barth par exemple), et dans de nombreuses situations pathologiques, de telles altérations sont également observées. Ainsi, notre objectif est de comprendre le rôle, la dynamique et l'impact des crêtes sur la fonction mitochondriale.
  • Dynamique stochastique des systèmes réactifs et vivants : L'équipe est composée de physiciens théoriciens, qui étudient les propriétés hors équilibre des systèmes stochastiques et leur application à la modélisation des systèmes vivants. Nos travaux combinent la modélisation de systèmes expérimentaux de l'échelle des molécules simples à l'échelle des populations, et le développement d'outils analytiques et numériques. Le groupe est en constante interaction avec divers groupes expérimentaux.
  • Modélisation mésoscopique des biopolymères : Notre objectif est de développer un outil de modélisation et de simulation des acides nucléiques (NA). L'approche proposée consiste à décrire la conformation comme une poutre flexible, représentée par un ruban, au moyen de la théorie de l'élasticité non linéaire des poutres.