« quantifier et interpréter »

Mots clefs : Dynamiques et interactions moléculaires, approches quantitatives, modélisations et simulations numériques, techniques spectroscopique, fluctuation de fluorescence, FCS, SPT, ICS, FLIM, FRET, iScat, temps de vie de fluorescence, biosenseurs, coproduction théoriciens et expérimentateurs, nouveaux fluorophores.

Les progrès de l’imagerie et la microscopie (instruments et marqueurs fluorescents) ont permis de transposer les mesures de physico-chimie/biochimie du tube à essai à la cellule vivante. Il est possible aujourd’hui d’observer et analyser le comportement, les déplacements et les interactions de biomolécules individuelles ou des organites dans leur contexte intra-cellulaire et pluri-cellulaire. L’ambition est de porter ces mesures dans les systèmes biologiques de complexités plus élevées ( organoïdes organes et embryons). 

Les méthodes optiques de mesure des dynamiques (FRAP, FCS, TICS, RICS,…) ou des interactions moléculaires (FRET, FCCS, N&B), toutes deux couplées au développement des protéines fluorescentes et biosenseurs, ont été les principaux outils pour ces investigations. Plus récemment, les techniques de super-résolution (SPT-PALM, FCS-STED, …) ont permis l’analyse des variations spatiales de molécules uniques à l’échelle nanométrique avec des temps caractéristiques de l’ordre de la ms. Ces techniques ont permis d’étudier les fonctions cellulaires tel que: signalisation et transduction, régulation de la transcription et de la traduction, dynamique vésiculaire, motilité du cytosquelette, communication inter cellulaires, signaux ioniques, photorécepteurs et photosynthèse. Il s’agit maintenant pouvoir analyser et comparer le comportement individuel des molécules (SPT) par rapport à une réponse collective (fluctuation de fluorescence en FCS et autres), permettant ainsi de voir plus loin la cohérence entre les observations et les modèles de la physique statistique en terme d’ergodicité. 

L’amélioration de ces techniques passera par celles des propriétés photo-physique des sondes fluorescentes et le développement de marqueurs adaptés dans l’IR-proche pour des applications en tissus et organes. Des progrès sont attendus au niveau des détecteurs matriciels (SPAD arrays), et de l’amélioration des caméras sCMOS couplée aux techniques de microscopie à feuille de lumière (SPIM). Le développement des techniques d’optogénétique représentent un fort potentiel pour contrôler et induire des voies de signalisation et régulation de manière spécifique. 

L’analyse, l’interprétation, et la modélisation des données constitue un verrou majeur. Nous avons besoin de nouveaux algorithmes, de modèles mathématiques et de simulations numériques en lien étroit avec les observations, permettant de les modéliser et de prédire de nouvelles expériences. Parallèlement les outils de simulation numériques, basés sur la structure et la dynamique des molécules à l’échelle atomique permettent de comprendre des modifications sur quelques 10aines de µs et une centaine de nanomètres. La communauté des théoriciens et modélisateurs est mobilisée depuis plusieurs années sur la construction de modèle de dynamique moléculaire. Mais ces modèles sont encore loin d’expliquer la complexité des comportements observés in-vivo. Le rapprochement et la co-prodution des expérimentateurs et des théoriciens est indispensable pour repousser ces frontières. 

Le GDR est le principale animateur de cette thématique au niveau national avec la société de biophysique. Les nouveaux enjeux nous conduirons à un rapprochement avec les GDR du traitement du signal (ISIS, IMA) et ondes pour la physique des mesures, et le GF2P de la société de chimie pour les sondes fluorescentes. 

Actions : Les défis dans les 5 ans seront (1) de combiner les informations issues de ces différentes techniques afin d’avoir une analyse intégrée de différentes échelles de temps, et de permettre l’analyse conjointe de l’interaction et de la dynamique moléculaire; (2) de développer des modèles permettant d’analyser des dynamiques à plusieurs partenaires (3) de développer des méthodes de quantitative et de modélisation à différentes granulosités permettant différents niveaux d’intégration de la complexité biologique et faire face à l’inflation de la quantité de données “big-data” (machine learning, approches Bayésiennes), 4) de concevoir de nouveaux fluorophores dédié aux mesures spectroscopique, SPT ou de fluctuation de fluorescence, 5) de concevoir de nouveaux biosenseurs capables de mesurer en temps réel et à l’échelle intracellulaire des paramètres comme le pH, l’encombrement moléculaire, les concentrations ioniques principales ou certaines activités enzymatiques

Coordinateurs : Laurent Heliot (email) et Cyril Favard (email)