Production et excitation mécanique d’un mécanorécepteur artificiel

Production and mechanical excitation of an artificial mechanoreceptor

• Auteur / Autrice : Pierre Tapie
• Direction : Elie Wandersman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 25/09/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Jean Perrin (Paris ; 2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Christine Ménager
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Abdou Rachid Thiam, Clément Campillo
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gladys Massiera, Yoël Forterre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biomécanique

Nanopores

Transduction du signal cellulaire

Capteurs tactiles

Mécanorécepteurs

Mots clés libres

Mécanotransduction

Vésicule

Biomimétisme

Mécanorécepteur

Perception tactile

Protéine transmembranaire

Mechanotransduction

Vesicle

Biomimic system

Mechanoreceptor

Tactile perception

Transmembrane protein

Résumé

L’Homme est capable de sonder tactilement son environnement à l’aide d’un contact direct entre un objet et ses doigts. Ce contact induit des contraintes mécaniques qui se propagent dans la peau jusqu’à des cellules nerveuses mécanosensibles appelées mécanorécepteurs. Le caractère mécanosensible de ces derniers est dû à des nanopores transmembranaires mécanosensibles qui s’ouvrent lors d’une excitation mécanique et qui induisent un flux d’ions à travers la membrane. Ce phénomène provoque une dépolarisation de la membrane qui génère in fine des potentiels d’action qui se propagent vers le système nerveux central. Pour étudier ces mécanismes d’un point de vue physique, nous avons construit un système biomimétique de ces mécanorécepteurs sous la forme d’une vésicule décorée de nanopores transmembranaires, piégée dans un hydrogel. Ces mécanorécepteurs artificiels sont fabriqués par une méthode fluidique originale très simple, qui ne nécessite qu’une simple micropipette. Par des mesures de fuite de fluorophores à travers la membrane, nous avons montré que la bicouche lipidique de la vésicule pouvait être fonctionnalisée par des nanopores transmembranaires passifs, non-mécanosensibles. Nous avons également utilisé des méthodes de biologie synthétique pour y insérer des nanopores mécanosensibles de la famille MscL. Nous avons montré que ce mécanorécepteur artificiel était déformable mécaniquement par simple indentation de la surface du gel et nous avons caractérisé et modélisé comment les contraintes mécaniques extérieures étaient encodées dans la déformation. Nous avons montré que mécaniquement le système était analogue à une cavité noyée dans un milieu élastique. En particulier, le caractère anisotrope des déformations de la membrane a été mis en évidence. Nous nous sommes également intéressés à la réponse dynamique d’une cavité (comme analogue mécanique du mécanorécepteur) lorsqu’un doigt artificiel la contenant est frotté contre une surface rugueuse. Nous avons montré que les fluctuations de forme de la cavité encodaient la texture de la surface explorée, et mis en évidence la présence d’une surmodulation de ces fluctuations lorsque la surface du doigt est décorée d’empreintes digitales.

To finely probe the geometrical/mechanical features of their immediate environment, humans can perform tactile exploration through direct contact between their fingers and an object. This contact induces mechanical stresses that propagate through the skin to mechanosensitive nerve cells called mechanoreceptors. Their mechanosensitivity is due to mechanosensitive transmembrane nanopores that open upon mechanical stimulation, inducing an ion flux across the membrane. This phenomenon depolarizes the membrane, eventually generating action potentials that propagate to the central nervous system. To study this mechanism from a physical perspective, we constructed a biomimetic system of these mechanoreceptors in the form of a vesicle decorated with transmembrane nanopores, embedded in a hydrogel. These artificial mechanoreceptors are manufactured using a simple and original fluidic method that only requires a standard micropipette. By measuring the leakage of fluorophores across the membrane, we demonstrated that the lipid bilayer of the vesicle could be functionalized with passive, non-mechanosensitive transmembrane nanopores. We also used synthetic biology tools to insert mechanosensitive nanopores of the MscL family. We showed that this artificial mechanoreceptor could be mechanically deformed by simply indenting the surface of the gel, and we characterized and modeled how external mechanical stresses were encoded in the membrane deformation. We showed that mechanically, the system was analogous to a cavity embedded in an elastic medium. In particular, an anisotropic nature of membrane deformations was evidenced. We also investigated the dynamic response of a cavity (as a mechanical analogue of the mechanoreceptor) when an artificial finger was rubbed against a rough surface. We showed that fluctuations of the shape of the cavity encoded the texture of the explored surface, and we revealed the presence of periodic modulations in these fluctuations if the surface of the finger was decorated with fingerprints.