Dynamique cellulaire en géométrie contrôlée: de la théorie des gels hors d'équilibre à la fonction biologique du cytosquelette. – DynaCell 3D

1-Contexte scientifique et objectifs du projet : Récemment, un cadre théorique permettant de décrire des mélanges de moteurs moléculaires, de polymères et de membranes, dont l'exemple le plus représentatif est le cytosquelette cellulaire, a commencé à être mis en place. Ce modèle de type gel « actif » développé pour décrire des systèmes hors d'équilibre présentant à la fois des propriétés rhéologiques remarquables et un ordre structural nécessite encore le développement d'outils théoriques nouveaux, à la frontière entre la physique statistique hors d'équilibre, la physique de la matière molle et la physique non linéaire. Le contrôle de la géométrie cellulaire, rendu possible par de nouvelles techniques de micro-fabrication, permettra de réaliser des expériences dans des conditions très proches de celles accessibles au cadre théorique développé. La possibilité de faire varier continûment les dimensions des cellules, leur courbure et les conditions au bord, ainsi que le confinement dans des géométries quasi unidimensionnelles permettront d'explorer de manière quantitative le 'diagramme de phase' extrêmement riche du cytosquelette, à la fois d'un point de vue théorique et expérimental. Ces nouvelles techniques de micro-fabrication permettront de parfaitement contrôler l'environnement cellulaire à la fois au niveau chimique, mécanique et géométrique, à des échelles spatiales et temporelles bien adaptées à l'objet cellule (de 0,1 micron à 1 mm, et de la milliseconde à la journée). Ces expériences et ce cadre théorique nouveaux contribueront à une meilleure compréhension de phénomènes biologiques fondamentaux tels que la motilité et la polarité cellulaire ou le contrôle de la position du centrosome. Les dispositifs expérimentaux originaux mis en oeuvre ont en outre des débouchés prometteurs de valorisation dans les domaines du tri cellulaire, du criblage phénotypique et du pronostique tumoral. 2-Description du projet, méthodologie : L'originalité de notre projet est de regrouper trois approches méthodologiques complémentaires, micro-fabrication, biologie cellulaire et théorie, pour l'étude d'une problématique commune, la dynamique cellulaire en géométrie contrôlée. Nous aborderons deux thématiques biologiques : - Les mécanismes et les fonctions liés au contrôle de la position du système centrosome/microtubules dans les cellules de vertébrés : nous utiliserons et améliorerons les techniques de contrôle adhésif de l'organisation intracellulaire développées dans l'équipe de M. Bornens, pour mettre en place des criblages à haut débit, en partenariat avec le département de Transfert de l'Institut Curie. Nous étudierons ensuite à l'aide d'outils moléculaires perfectionnés et de techniques de microscopie haute résolution, la dynamique du système centrosome/microtubules, dans des géométries pertinentes. Un modèle théorique sera proposé sur la base de ces résultats. - Le rôle du système actine-myosine dans la polarité et la motilité cellulaire : nous étendrons la théorie des gels actifs développée par le groupe de J. Prost en incluant bruit et non-linéarités, et en tenant compte d'effets de taille finie. La géométrie quasi-unidimensionnelle permettra d'étudier les instabilités dynamiques et les transitions de phase du modèle. Les prédictions théoriques seront testées en réalisant des expériences dans cette même géométrie, à l'aide de micro-canaux. 3-Résultats attendus : 1) Mise au point de dispositifs micro-fabriqués permettant de faire converger des résultats expérimentaux obtenus sur des cellules, et le cadre théorique mis en place. En particulier réalisation de micro-canaux et de micro-chambres permettant de produire des cellules courbées. 2) Développement d'un modèle théorique permettant d'interpréter des phénomènes tels la polarisation et la motilité cellulaire dans le cadre des transitions de phase hors d'équilibre. 3) Etude de la biologie de la motilité et de la polarité cellulaire dans un contexte parfaitement contrôlé (forme, .