UE Biologie physique de la cellule

Responsable : Cendrine Moskalenko

6 crédits ECTS

24h de cours, 22h de TD/TP et 2h de soutien

 Résumé

De nombreux progrès de la biologie moléculaire au cours des dernières décennies ont été rendus possibles par des approches à l'interface entre la biologie et la physique. Ces approches sont essentiellement basées sur la caractérisation des propriétés physiques des objets biologiques étudiés. 

La philosophie de l'UE "Biologie Physique de la Cellule" est d'introduire à la fois les concepts de physique (énergie, forces, fluctuations) nécessaires à la compréhension et à la description de systèmes moléculaires, ainsi que les propriétés physiques de la majorité des grandes classes d'objets biologiques que sont l’ADN et les complexes nucléo-protéiques, le cytosquelette, les moteurs moléculaires ou encore les virus, …

Le cours et les TDs présentent une approche multi-échelle de la physique de la cellule: des constituants moléculaires (nanométriques) aux tissus (millimétriques) en passant par les fonctions cellulaires (micrométriques). En nous basant sur des exemples issus de la littérature récente à l'Interface Physique-Biologie, nous décrivons des approches expérimentales permettant l’étude de ces différents systèmes biologiques de l’échelle de la molécule unique à l’échelle cellulaire. En outre, l’utilisation de modèles quantitatifs (outils issus de la Physique Statistique) permet d’améliorer notre compréhension de données biologiques déjà connues pour aller vers une nouvelle description du fonctionnement des machines moléculaires que sont les macromolécules biologiques. A l’échelle cellulaire, nous proposons une modélisation simple de la mécanique d’une cellule ou des tissus permettant de mesurer quelques grandeurs caractéristiques telles que la viscosité, l’élasticité ou encore la tension de surface.

Une grande partie des TDs est faite à partir d'analyse d'articles présentant des travaux 'historiques' ou récents à l'interface physique-biologie. Nous encourageons les travaux en groupes pendant les séances ou en préparation des séances de TDs. Ces TDs seront complétés par 2 séances de TD/TP :  ‘modélisation numérique d’un système à 2 états’ et ‘manipulation d’ADN par pinces optiques’. 

Enfin, sur deux thématiques en lien avec celles du cours, nous proposons de découvrir la recherche à l’interface Biologie-Physique, à l’occasion de 2 séances où un.e intervenant.e extérieur.e développera pendant 1h sa thématique de recherche qui sera suivie par 1h de travail en groupe d'analyse et modélisation d'un jeu de données expérimentales issues du travail de recherche de cet.te intervenant.e.

A la fin des cours de l’UE Biologie Physique de la Cellule, l'étudiant.e devrait être armé pour comprendre, au moins qualitativement, la majorité des travaux scientifiques réalisés à l'interface Biologie-Physique. 

Thèmes couverts

• Polymère ADN
• Systèmes à deux états
• Cytosquelette: dynamique et génération de forces
• Moteurs moléculaires
• Mécanique des Virus
• Régulation de l’expression génétique
• Motilité cellulaire : nage de bactéries, migrations de cellules
• De la cellule au tissu: mécanique, rhéologie

Prérequis

Le niveau de Physique prerequis est celui de classe prépa BCPST ou équivalent. Les 6h de Cours/TD ‘acides nucléiques et interactions avec les protéines’ de l’UE ESIG en L3 constitue une bonne introduction à cette UE. Pour les primo-arrivants, une séance de 2h de pre-requis reprendra les éléments de base d’une description physique de l’ADN.

Objectifs disciplinaires

A l'issue de l'UE, l'étudiant devra être capable de :

• Connaitre et comprendre quelques concepts de physique appliqués aux objets biologiques (polymères, protéines): mécanique, diffusion, dynamique, forces, fluctuations (physique statistique).
• Connaitre les ordres de grandeurs des échelles de taille, temps, force ou énergie mises en jeu dans la cellule.
• Connaitre les propriétés physiques des constituants cellulaires: polymère ADN ou ARN, chromatine, filaments du cytosquelette (actine, microtubules), moteurs moléculaires, mais aussi, des virus.
• Comprendre et modéliser la dynamique des quelques boucles de régulation de l'expression génétique (introduction à la Biologie des Systèmes)
• Connaitre les bases physiques de la motilité cellulaire : nage de bactéries, migrations de cellules.
• Comprendre comment simplement modéliser mécaniquement des cellules ou des tissus et mesurer quelques grandeurs caractéristiques : viscosité, élasticité, tension de surface...
• Etre capable de comprendre et savoir interpréter la majorité des travaux scientifiques réalisés à l’interface physique-biologie utilisant des outils tels que : Microscopie ou mesures de forces AFM, pinces optiques, pinces magnétiques, FRET, etc…,.
•  Savoir analyser quantitativement des données issues d'expériences de biologie avec des outils physiques.
• Comprendre des modèles physiques permettant de décrire quelques processus de bases dans la cellule.

Modalités de contrôle des connaissances

• Contrôle continu : écrit de 30 minutes à mi-UE: questions de cours (compte pour 25%)
• Contrôle terminal: écrit de 2h en fin d'UE:  questions de cours et d’analyse de documents (compte pour 75%)

Bibliographie

• Physical Biology of the Cell (2^nd edition 2013), Garland Science
• Biological Physics: Energy, Information, Life (2004), Freeman;
• An Introduction to Systems Biology (2nd edition 2019), Chapman & Hall/CRC Computational Biology Series