Étude de la dynamique de systèmes hors-équilibres par diffusion de la lumière : application à la dynamique interne du noyau cellulaire

Study of the dynamics of out-equilibirum systems with light scattering : Application to the internal dynamics of cell nucleus

• Auteur / Autrice : François Lienard
• Direction : Eric Freyssingeas 19..-....
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 14/12/2023
• Etablissement(s) : Lyon, École normale supérieure
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique (Lyon ; 1988-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurence Salomé
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eric Freyssingeas 19..-...., Laurence Salomé, Laurent Bourdieu, Luca Cipelletti, Pierre Borgnat, Pascal Hebraud, Meryem Jabloun
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Bourdieu, Luca Cipelletti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Noyau cellulaire

Lumière -- Diffusion

Mots clés libres

Diffusion dynamique de la lumière

DDL sur des systèmes hors-équilibres

Noyau cellulaire

Temps-Laplace Multi-échelle

Non-stationnarité

CONTIN

Dynamic light scattering

DLS on out-equilibirum systems

Cell nucleus

Time-Laplace Multiscale

Non-stationarity

CONTIN

Résumé

L’efficacité et la robustesse avec lesquelles la cellule lit l’information génétique nécessaire pour effectuer une tâche suggère que son noyau possède une organisation spatio-temporelle propice pour accomplir cette prouesse. La communauté scientifique a beaucoup progressé ces trente dernières années dans la compréhension de cette organisation grâce aux techniques de microscopie et celles génomiques. Néanmoins, même si l’organisation spatiale du noyau est de mieux en mieux connue, il reste difficile d’étudier les liens entre les différentes échelles et les processus biologiques. La dynamique interne du noyau se déroule sur des échelles spatiales allant du nanomètre au micromètre, et sur des échelles temporelles allant de la dizaine de microsecondes à plusieurs centaines de minutes, tout ça dans un environnement complexe, justifiant qu’aucune technique ne soit parfaitement adaptée. C’est donc d’abord dans le but d’élaborer une technique complémentaire pour étudier la dynamique interne du noyau que ce projet trouve sa motivation. Nous avons choisi la diffusion dynamique de la lumière (DDL) car cette méthode offre la possibilité de suivre des processus sur de larges gammes temporelles sur des échelles sub-micrométriques, de façon global et non invasive. Le principe consiste à envoyer un faisceau laser dans le noyau d’une cellule puis à détecter les variations de l’intensité lumineuse diffusée. Ces variations ont pour origines des processus biologiques internes au noyau ; elles en sont la trace temporelle et elles sont mesurées sous forme de temps de corrélation. La difficulté dans la mesure de ces temps provient du caractère non-stationnaire de l’intensité diffusée dû à l’aspect hors-équilibre du noyau. Pour mesurer ces temps de corrélation nous avons mis en place une nouvelle méthode d’analyse appelée « Temps-Laplace Multi-échelle » reposant sur l’algorithme CONTIN. Grâce à cette méthode, nous avons pu analyser la dynamique interne du noyau de deux lignées cellulaires : les cellules HeLa et les cellules F9. Nous nous sommes intéressés en particulier à la dynamique du noyau d’une cellule HeLa dans différentes conditions de cultures. Nos expériences montrent que la dynamique interne du noyau d’une cellule vivante peut se décomposer en trois dynamiques : i) Des temps de corrélation rapides, 10-3-10-1 s, qui sont soupçonnés d’être associés à des processus fondamentaux et actifs dans le noyaux, ii) des temps de corrélation moyens 0,1 - 1 s, potentiellement dus à la diffusion de complexes protéiques ou de gros objets, iii) des temps de 10 - 200 s, probablement dus à la diffusion de la fibre de chromatine dans le noyau. Nous concluons qu’il n’y a pas de grandes différences pour la dynamique observée entre deux noyaux issues de deux lignées cellulaires différentes. On observe des variations d’intensité des temps de corrélation au cours du cycle cellulaire. Mais l’évolution de ces temps semble surtout dominée par les conditions de culture des cellules.

The efficiency and robustness with which the cell reads the genetic information required to perform a task suggests that its nucleus possesses a spatio-temporal organization propitious to the accomplishment of this feat. The scientific community has made great improvements over the last thirty years in understanding this organization, thanks to microscopy and genomic techniques. However, even though the spatial organization of the nucleus is getting well understood, it remains difficult to study the links between the different scales and biological processes. The internal dynamics of the nucleus takes place on spatial scales ranging from nanometers to micrometers, and on temporal scales ranging from tens of microseconds to several hundred minutes, all in a complex environment, justifying the fact that no single technique is perfectly suited to the task. The motivation for this project was therefore to develop a complementary technique for studying the internal dynamics of the nucleus. Dynamic light scattering (DDL) was chosen as the method of choice, as it offers the possibility of following processes over wide time ranges at sub-micrometer scales, in a global and non-invasive way.The principle consists in sending a laser beam into the nucleus of a cell, then detecting variations in the scattered light intensity. These variations originate from biological processes located inside the nucleus; they are the temporal trace of these processes, and they are measured as correlation times. The difficulty in measuring these times arises from the non-stationary nature of the scattered intensity, due to the out-of-equilibrium aspect of the nucleus. To measure these correlation times, we have implemented a new analysis method called "Multi-scale Time-Laplace", based on the CONTIN algorithm.Using this method, we were able to analyze the internal dynamics of the nucleus of two cell lines: HeLa cells and F9 cells. In particular, we investigated the dynamics of the nucleus of a HeLa cell under different cell culture conditions. Our experiments show that the internal dynamics of the nucleus of a living cell can be decomposed into three dynamics: i) fast correlation times, 10-3-10-1 s, which are suspected to be associated with fundamental and active processes in the nucleus, ii) medium correlation times 0.1 - 1 s, potentially due to the diffusion of protein complexes or large objects, iii) times of 10 - 200 s, probably due to the diffusion of chromatin fiber in the nucleus. We conclude that there are no major differences in the dynamics observed between two nuclei from two different cell lines. There are variations in the intensity of correlation times during the cell cycle. But the evolution of these times seems to be dominated by cell culture conditions.