Dans une cellule vivante, les molécules sont dans un environnement très concentré, encombré et compartimenté. Beaucoup s'assemblent en édifices macro- ou supra-moléculaires. Le fonctionnement de ces molécules impliquent parfois des mécanismes physiques qui sont uniquement pertinents à des échelles beaucoup plus grandes que la taille élémentaire de ces petites molécules et qui concernent non pas une molécule isolée mais sa population entière. Ce sont des phénomènes émergents, par exemple des transitions de phases ou des forces entropiques. Leurs compréhensions font appel à la physique des polymères, la physique statistique et la physique de l'état condensé. C'est à ce carrefour que se situe mon travail.

Une diode entropique pour le courant ionique
La compartimentation cellulaire est assurée par des membranes pourvues de canaux (ou de pores) permettant le transport d'ions ou de molécules d'un compartiment à l'autre. Ce déplacement résulte de forces qui s'exercent en général directement et individuellement sur les ions, comme par exemple celles provenant d'un champ électrique transmembranaire. Mais théoriquement, le bilan de ces forces fait également intervenir un terme d'une toute autre nature. En effet, lorsque le transit est suffisamment lent pour que les ions aient le temps d'explorer transversalement par mouvement brownien le canal, les variations longitudinales de sa section produisent un gradient d'entropie auquel correspond une force. Aussi lorsque le canal a une forme asymétrique (par exemple conique comme celle d'un entonnoir), cet effet peut induire un mécanisme anti-retour similaire à une roue à cliquet ou au clapet d'une pompe fonctionnant à un niveau moléculaire: les ions s'avancent dans le pore mais reviennent difficilement en arrière.
conical_pores

Pour vérifier cette idée, nous avons conçu et réalisé une expérience basée sur le principe suivant: cette force entropique dépend de la taille des ions, aussi lorsque celle-ci est très différente pour les anions et les cations, nous pouvons nous attendre à ce que des pores coniques redressent un courant ionique alternatif. C'est précisément ce que nous avons observé en réalisant des membranes par attaque chimique des traces laissées par une irradiation aux ions lourds et en utilisant une solution diluée de polyacide comme électrolyte.
Pour en savoir plus :

Membranes biologiques et pores peptidiques
L’interaction des membranes cellulaires avec les molécules adsorbées à leur surface et la façon dont l’incorporation de ces molécules s’opère sont encore assez mal comprises. Nous nous sommes intéressés aux peptides antimicrobiens qui constituent la clé de voute du système immunitaire inné des organismes pluricellulaires. Essentiellement, ces peptides rendent les membranes perméables en y formant des pores. Leur présence universelle dans les règnes animal et végétal, leur action non-spécifique et à large spectre ainsi que leur structure très élémentaire laissent entrevoir un mode d’action selon des mécanismes physiques eux aussi très généraux et universels.
equilibre

Nous avons traité ce problème au moyen d’expériences dites de « tension imposée » (consistant à mesurer le courant ionique transmembranaire) et de réflectivité des neutrons. En particulier, nous avons montré que l’ouverture des pores présentent une dynamique lente et typique de la transition vitreuse, qui pourrait être gouvernée par les fluctuations en surface de la concentration des peptides telles qu’elles sont prévues par le modèle RSA (« Random Sequential Adsorption »). Plus récemment, nous nous sommes intéressés à la thermodynamique de l’ouverture des pores en fonction de la tension électrique transmembranaire et de la température. Nos résultats nous permettent de proposer un nouveau mécanisme physique où l’adsorption des peptides et le champ électrique tendent tous deux à courber la membrane et dans lequel le coût entropique majeur de l’ouverture d’un pore provient d’un effet « d’aire exclue » pour la translation des lipides.
Pour en savoir plus :

Dégradation enzymatique d’un gel

La matrice extra cellulaire est un gel. C’est à dire un réseau solide de macromolécules reliées entre-elles, ici principalement des protéines comme le collagène. Cette matrice entoure et délimite les organes. Les processus d’invasion cellulaire et de vascularisation des tumeurs impliquent son franchissement par les cellules qui pour cela produisent des enzymes protéolytiques (les protéinases) qui brisent les liens de ce réseau. Les protéinases sont donc des cibles thérapeutiques potentielles contre la dissémination des cellules cancéreuses.
Différents type de marcheurs représentant une enzyme (rouge) « grignotant » un gel (bleu)
AléatoireTimide

Le déplacement des cellules sont sensibles à certaines propriétés physiques de la matrice qui impliquent des échelles de longueurs bien supérieures aux tailles des macromolécules qui la constituent. C’est pourquoi ces propriétés sont gouvernées par le mécanisme de la transition de phase induite par les protéinases, qui en liquéfiant la matrice permettent aux cellules de s'y frayer un passage. Nos travaux ont permis de souligner que ce mécanisme est contrôlé par la diffusion des enzymes dans le gel qui introduit des corrélations entre liens brisés. En particulier, des mesures de cinétique de dégradation nous ont permis de proposer une loi de comportement universelle (dite « loi d ‘échelle ») et de démontrer que la marche aléatoire de l’enzyme dans ces systèmes est auto-attractive (le marcheur est « timide » et retourne préférentiellement dans les zones déjà visitées) conduisant à un modèle dit de « percolation continue » pour la transition de phase (cf. percolation des trous dans l’emmental). Pour en savoir plus: