Les progrès en biologie moléculaire et génétique ont permis d’identifier les acteurs moléculaires et de caractériser leurs interactions qui constituent la circuiterie complexe des réseaux de signalisation, aux niveaux cellulaire et tissulaire. Le développement d’outils de microscopie permet aujourd’hui d’observer ces interactions en temps réel dans les cellules vivantes. Ces données sont d’ores et déjà à la base d’un travail de modélisation in silico de ces réseaux de régulation, fortement couplés et riches en boucles de rétrocontrôle. Cependant, les mécanismes moléculaires contrôlant les fonctions cellulaires se régulent mutuellement ; ils constituent donc des systèmes complexes au sens mathématique et physique. Nous ne disposons encore que d’une vision très partielle de la dynamique et de la robustesse de ces réseaux dans un contexte physiologique. L’enjeu est de comprendre les principes biophysiques du fonctionnement  de ces réseaux : leurs propriétés intégrées de filtrage, d’amplification conditionnelle, de traitement de l’information, et d’adaptation aux changements d’environnement. Pour cela il est nécessaire de mesurer les variations spatiotemporelles des interactions entre acteurs de ces réseaux sans perturber les autres dynamiques ou structures cellulaires. De nouvelles approches expérimentales, telles que l’optogénétique, permettent de contrôler et perturber les mécanismes cellulaires avec des résolutions spatiotemporelles très élevées sans déstabiliser l’ensemble de l’équilibre et des dynamiques cellulaires. Pour développer ces approches, il faut mobiliser une large communauté de spécialiste de la chimie et de la génétique d’agents inductibles en particulier par la lumière. Il est aussi nécessaire de pouvoir induire très spécifiquement en localisation et en intensité des modifications moléculaires grâce à la maitrise parfaite de l’optique. Conjointement, le contrôle du micro-environnement cellulaire par microfabrication (microfluidique, bioprinting) est une voie parallèle et complémentaire pour le contrôle systématique et quantitatif des systèmes cellulaires. Ces approches de perturbation et induction contrôlées permettent une mesure quantitative du fonctionnement des réseaux cellulaires si elles sont couplées à la détection quantitative des activités du réseau. En ce sens, l’axe 4 est fortement lié au développement de sondes et biosenseurs (axe 3). Enfin, ces approches produisent des jeux de données possédant intrinsèquement une dimension spatiotemporelle, et de fait elles nécessitent un cadre de modélisation pour interpréter et exploiter ces données complexes (axe 2). Si dans un premier temps ces questions se posent dans le contexte de la cellule unique, leur intégration dans des assemblages cellulaires et des tissus est évidement un aspect important  pour la compréhension de ces réseaux en condition physiologique.

Les actions conduites dans cet axe viseront :

– à développer de nouvelles approches de contrôle et mesure de l’environnement cellulaire (bioprinting, microfluidique) et les coupler avec de nouvelles approches de contrôle du vivant par photomanipulation. Cela permettra de mieux comprendre l’interface des cellules avec leur environnement.

– à démocratiser la manipulation du vivant par des approches de photomanipulation (uncagging, photocassure) et d’optogénétique (spécifique d’une protéine ou d’une fonction cellulaire précise).

– à faire converger les approches d’optogénétique de la biologie cellulaire (voies de signalisation, contrôle des organelles, expression génique, épigénétique…) et des neurosciences (dépolarisation de neurones) afin d’ouvrir de nouvelles voies de régulation.

– à acquérir une expertise des différents systèmes d’optogénétique présent à ce jour et de les combiner spectralement avec la détection de multiples « outputs » cellulaires suivis par l’utilisation de protéines fluorescentes ou de biosenseurs.

– favoriser l’interface avec les physiciens théoriciens et les modélisateurs qui vont pouvoir utiliser les expériences de perturbations de systèmes à l’équilibre comme point de départ ou validation de leurs modèles/théories.

– améliorer le contrôle et la délivrance de la lumière dans des systèmes vivants complexes (profondeur et inhomogénéité) pour faciliter la photostimulation et l’optogénétique (algorithme et programme de maintien d’une activité biologique à façon-boucle de rétrocontrôle assistée par ordinateur, couplage avec les imageries profondes, mise en forme des fronts d’onde, optique adaptative)

Coordination : Serge Monneret (email), Lydia Danglot (email)