Microsytèmes magnétiques et électriques pour la modification spatio-temporelle de voies de signalisation biologiques

par Elsa Mazari

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Charlie Gosse.

Soutenue le 19-07-2013

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences et Technologies de l'Information, des Télécommunications et des Systèmes (Orsay, Essonne) , en partenariat avec Laboratoire de Photonique et de Nanostructures (Marcoussis, Essonne) (laboratoire) et de Laboratoire de photonique et de nanostructures (laboratoire) .


  • Résumé

    Les voies de signalisation exercent à l’échelle moléculaire un contrôle spatiotemporel précis sur de nombreux processus cellulaires. Par exemple, à l’échelle d’un organisme en développement, ces réseaux complexes d’interaction opèrent entre différents groupes cellulaires et établissent une régulation fine, dynamique et intégrée de multiples processus tels la spécification, la différentiation, la prolifération et la migration cellulaire. Comprendre ces phénomènes requiert d’étudier la fonction précise de ces molécules et de ces réseaux de signalisation. Il est donc nécessaire de concevoir des outils adaptés contrôlant localement l’activité de molécules de signalisation pour étudier leur implication dans la régulation de processus cellulaires fondamentaux. Afin de développer des outils innovants pour l’étude de systèmes biologiques, nous proposons d’implémenter la technique de la relaxation chimique au sein de microsystèmes. Cette approche repose sur la conception de micro-dispositifs dédiés qui génèrent une modulation spatio-temporelle précise de la concentration de molécules de signalisation. Une telle perturbation génère une réponse spécifique du système biologique qui livre des informations décisives quant à la dynamique des réactions et quant à l’organisation des réseaux moléculaires à l’œuvre. Cette stratégie d’ingénierie pour l’étude de systèmes biologiques est générique et intrinsèquement multidisciplinaire. Au cours de ce travail, elle a été mise en œuvre pour deux projets collaboratifs, d’une part BioModulator à l’échelle cellulaire, et d’autre part Electromice à l’échelle d’un organisme complet. Nous avons mis nos compétences de physiciens spécialistes de micro/nanofabrication au service de l’équipe du Dr. Zoher Gueroui de l’Ecole Normale Supérieure ainsi que de l’équipe du Dr. Aitana Perea-Gomez de l’Institut Jacques Monod, ces deux équipes étudiant respectivement les processus impliqués dans l’auto-assemblage des microtubules et le développement de l’embryon précoce de souris. Plus précisément, le projet BioModulator repose sur la génération de gradients localisés de protéines présumées régulatrices du fuseau mitotique alors que le projet Electromice propose l’électroporation localisée d’acides nucléiques au sein d’embryons de souris pour modifier spatio-temporellement l’expression des gènes qui régissent le devenir des cellules visées et ainsi étudier les interactions contrôlant la croissance, la migration et la spécification de différents types cellulaires. Au cours de cette thèse, nous avons donc développé des méthodologies expérimentales ainsi que des protocoles adaptés à l’utilisation d’une instrumentation miniaturisée dédiée à l’étude de systèmes biologiques multi-échelles. Enfin, nous avons pu démontrer l’efficacité ainsi que la validité d’approches collaboratives et multidisciplinaires. En effet, elles permettent à la fois l’émergence de stratégies innovantes et ambitieuses et aussi de répondre à d’importantes questions en sciences de la vie et ce, pour le plus grand profit de toutes les communautés scientifiques participant à ce type de projet.

  • Titre traduit

    Magnetic and electric microsystems for spatiotemporal modification of biological signalling pathwaysMagnetic and electric microsystems for spatiotemporal modification of biological signalling pathways


  • Résumé

    Cell-fate decisions and cellular functions are dictated by the spatiotemporal dynamics of molecular signaling networks. Moreover, at the scale of an entire organism, especially during its development, complex interactions between cell groups enable the fine, dynamic, and integrated regulation of tissue specification. Understanding these phenomena necessitates new dedicated tools. In this doctoral research, we propose to implement relaxation techniques in microfluidic systems. Our goal is to be able to precisely modulate in space and time the concentration of signaling molecules and to deduce, from the response of the biological system, information on the dynamics of the scrutinized reaction networks. More exactly, microsystems are used to perturbate living systems and associated models accounting for the recorded response are validated thanks to computer simulations. We have implemented this strategy both at the cellular level and at the organism scale during two collaborative projects. On one hand, we focused on the control by magnetic fields of microtubules regulators conjugated to magnetic particles, in order to decipher the basic molecular mechanisms responsible for the assembly and regulation of the mitotic spindle. On the other hand, we proposed a device for localized electroporation of DNA constructs into mouse embryos, in order to be able to study the dynamic cellular interactions that control the growth, migration and specification of the visceral endoderm between 5 and 7 days of development. A distinctive feature of this work lies in the proposed interdisciplinary approach. Combining several states of the art techniques from Chemistry, Physics, and Biophysics, our ambition has been to demonstrate that micro/nanotechnologies can open new perspectives in Biology.


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