Institut Charles Sadron MCUBE
Recherche
La recherche en cours et prévue dans l'équipe physique des Membranes et Matière Molle (M3) est présentée ci-dessous:
- Formation de vésicules géantes unilamellaires (GUV)
Nous avons développé récemment de nouvelles méthodes, à la fois plus simples et plus puissantes permettent de former de façon routinière des GUVs avec des compositions en lipides variées, dans des solutions contenant des sucres, des ions et d'autres molécules d'intérêt biologique.
En améliorant la technique de pousse sur gel pour la formation des GUVs, nous avons développé une expertise dans ce domain.
- Oxydation des lipides Dans la recherche sur l'oxydation des lipides, nous allons poursuivre nos efforts à long terme dans trois directions principales : i) au niveau fondamental, nous voulons comprendre et contrôler les effets de l'oxydation photo-induite au-delà de l'hydropéroxydation, ii) ceci nécessite le développement des nouvelles familles de photosensibilisateurs, ainsi que de nouvelles stratégies pour moduler les interactions entre les espèces oxydantes et les groupements ciblés sur les molécules lipides, typiquement des insaturations iii) les résultats de ces recherches pourront avoir un impact dans le domaine de la thérapie photodynamique.
Nous avons débuté des expériences en vue de la vectorisation de molécules photo-sensibilisatrices en utilisant des peptides pénétrateurs de cellules. Nous avons été les premiers à visualiser les effets de l'oxydation des lipides sur les GUVs par microscopie optique.
- Transitions de phase dans les lipides
Modéliser de façon réaliste des bicouches lipidiques avec une composition proche de celle trouvée dans les systèmes biologiques est une tâche ardue. Le nombre de lipides différents est grand, spécialement si on considère les effets dus à l'oxydation. De plus, la membrane est un système dans lequel des processus dissipatifs génèrent des gradients de concentration et des asymétries entre les deux feuillets. Ce mélange de lipides peut alors être considéré comme un solvant complexe à deux dimensions pour les protéines transmembranaires ou périphériques, c'est-à-dire qui s'accrochent ou restent proches des membranes. On peut alors étudier un certain nombre de problèmes, tels que la coexistence de phase dans des système à grand nombre de composants et les effets de mouillage ou capillaire autour d'inclusion hétérogènes. Notre projet est de combler le fossé entre les simulations numériques, typiquement faites par méthode Monte-Carlo avec des molécules "coarsed-grained" (c'est-à-dire formées de billes représentant plusieurs atomes) et l'échelle macroscopique thermodynamique des modèles avec interactions effectives de type Landau-Ginsburg pour modéliser les interactions non-idéales entre lipides différents.
- Membranes lipidiques hors-équilibre
Dans un grand nombre de situations réelles les membranes lipidiques sont soumises à des champs de contraintes externes (contraintes mécaniques, électriques…) ou à une activité interne induite par exemple par l’activité de protéines. Dans ces conditions, l’état de la membrane ne peut être décrit par la statistique physique à l’équilibre. Comprendre les propriétés hors équilibre de ces systèmes est l’un des plus grands défis à relever dans ce domaine.
Biolubrification : la lubrification au niveau du cartilage articulaire est une situation pratique où ces concepts entrent en jeu. Le défi réside dans la reproduction et l‘ explication des conditions qui conduisent à la robustesse et au faible frottement de ce contact biolubrifiant. Il a été démontré que les empilements de bicouches lipidiques supportées fournissent un système modèle biomimétique qui présente certaines des propriétés lubrifiantes recherchées. En couplant les expériences de tribologie et de vélocimétrie avec une visualisation directe du contact, nous étudions l’effet de différents paramètres microscopiques (taux d’humidité, interaction entre bicouches…) sur le coefficient de frottement apparent et la vitesse de glissement des couches confinées.
Membranes actives : les protéines transmembranaires jouent un rôle majeur dans un grand nombre de processus cellulaires en assurant des fonctions essentielles telles que la signalisation inter et intracellulaire, le transfert de molécules ou d'ions à travers la membrane, homéostasie cellulaire... Les membranes lipidiques présentent des fluctuations thermiques, mais l'activité des protéines membranaires induit des fluctuations hors d’équilibre qui violent le théorème fluctuation-dissipation. Les fluctuations actives ont été largement décrites théoriquement, mais sont difficiles à étudier expérimentalement. Les premières expériences sur la bactériorhodopsine (BR), une pompe à protons activée par la lumière, reconstituée dans des vésicules géantes unilamellaires, ont été effectuées par le groupe de Patrica Bassereau (Institut Curie), en utilisant les techniques de micropipette et une analyse microscopique fine. Bien que ces expériences montrent clairement l'amplification des fluctuations lorsque les protéines sont activées, la technique expérimentale est limitée à des informations à l’échelle du micromètre et ne fournit pas de mesure du spectre de fluctuation. Une compréhension complète du mécanisme nécessite une caractérisation fine du spectre de fluctuation à des échelles de longueur submicroniques, ce que nous cherchons à faire en étudiant les fluctuations de membranes supportées actives par diffusion hors-spéculaire de rayons X.
- Nanoparticules et colloïdes actifs en interaction avec des membranes
Les nano-objets ont une affinité particulière pour les membranes des cellules, et parfois, elles sont capables de les traverser. Leur petite taille, qui, la plupart du temps est de l’ordre de l’épaisseur de cette barrière membranaire, mais aussi des facteurs comme l’équilibre hydrophilique-hydrophobiques sont supposées de contrôler les interactions. Nous continuons nos efforts de recherche pour comprendre les mécanismes fondamentaux à l’origine des interactions membrane-nanoparticule dans 3 directions principales :
i) nous développons des nouvelles méthodes de visualisations rapides par microscopie optique ou cryo TEM ( en collaboration avec la plateforme de microscopie électronique). ii) Nous modulons la composition fine des membranes en ajoutant des charges, du cholestérol et des lipides à courbure négative, se rapprochant ainsi de la composition physiologique des membranes des systèmes vivants et iii) nous balayons différents types des nano-matériaux possibles ( silice, polystyrène, argent, or, et autres nanoparticules, peptides à pouvoir pénétrant attachés à plusieurs taille de cargos, cyclodextrins…) de manière à explorer les différents paramètres jouant sur les interactions.
Dernièrement une nouvelle thématique a débuté sur l’interaction entre des particules Janus et des vésicules géantes qui induit une nouvelle dynamique. Le mouvement «actif» et les interactions phorétiques (ou l’un des individus est transporté par un autre) induisent par exemple le mouvement orbital de colloïdes actifs autour de ces vésicules géantes, ou une propulsion de vésicules géantes par des particules Janus.
- Interactions polymères-membranes
Dans le monde du vivant les membranes cellulaires sont en interaction permanente avec une importante variété de polymères. D’une part, les polymères biologiques, comme les peptides, l’ADN, les protéines, pour ne citer qu’eux, sont présents dans tous les fluides biologiques. D’autre part, le monde d’aujourd’hui génère un large spectre de macromolécules synthétiques que nous respirons, ingérons ou plus simplement côtoyons chaque jour. Citons deux exemples typiques pour lesquels la compréhension des interactions polymères-membranes apparait primordiale : i) dans le domaine de la délivrance de médicaments, la compréhension du mode d’infection des cellules par le virus HIV a déjà mis à jour l’existence et le haut potentiel des peptides pénétrateurs de membrane (CPP); ii) dans le domaine de la santé publique, des études se doivent de clarifier le degré de sensibilité des cellules aux nanoparticules de polymère. Notre équipe s’intéresse à divers aspects des interactions polymères-membranes. Nous avons ainsi développé une méthode quantitative de mesure de l’adsorption de CPPs marqués en fluorescence sur une membrane lipidique. Grâce à cette méthode nous avons montré que des complexes moléculaires CPP-cargo retrouvent leur affinité perdue pour une membrane grâce à leur auto-association en micelles (induite par une augmentation de température), impliquant une augmentation de concentration locale de CPP à leur surface. Récemment, nous avons montré que du polystyrène de faible masse moléculaire s’incorpore dans des membranes et modifie grandement la température de transition gel-fluide Tm, agissant comme le cholestérol dans les mélanges binaires lipide saturé+lipide insaturé.
- Structures ondulantes
L’expertise expérimentale et théorique développée par notre équipe pour les membranes de lipidiques est aussi utile à la compréhension d’autres systèmes de la matière molle. En particulier, les méthodes mathématiques développées pour étudier l’influence des fluctuations thermiques sur les propriétés mécaniques des empilements de bicouches peut également être réutilisée pour comprendre les ondulations de systèmes macroscopiques comme les paquets de fibres naturelles ou synthétiques relativement bien alignées, (par exemple des tresses de cheveux nattés ou des paquets de fibres de laine métallique). Nous avons dernièrement modélisé des empilements de fibres en combinant des modèles de champ moyen et des simulations numériques à 2D. Nous avons aussi étudié expérimentalement et numériquement, la compression de ces paquets de fibres pour en déduire les lois de compression.
- Mouillage, adhésion et séchage
Nous étudions plusieurs aspects du mouillage de systèmes tels que gouttes, particules, surface fonctionnalisées et vésicules géantes. L’adhésion de vésicules géantes unilamellaires fonctionalisées sur des surfaces traitées est utilisée pour observer les variations d’aire par lipide pendant l’oxydation, ou pour recouvrir et entourer des molécules d’acide nucléique greffées à la surface.
La dynamique de particules colloïdales partiellement recouvertes par une membrane de GUV, ou partiellement immergées dans le plan d’une interface fluide est aussi étudiée, pour élucider le rôle des forces de mouillage-adhésion sur leur mouvement de diffusion en translation et en rotation, ainsi que la dynamique de passage d’une particule à travers une membrane.
Finalement, notre groupe est aussi impliqué dans la modélisation du séchage de solutions colloïdales, une situation complexe impliquant la diffusion de particules et de surfactants en interaction, des écoulements induit par l’évaporation, la déformation et la coalescence de particules, et l’apparition de contraintes élastiques dans le film deposé.