HMBS120 Phénomènes Dynamiques et Interactions dans les Systèmes Biologiques

le premier cours aura lieu ce jeudi 10/09, de 11h30 à 13h à la salle Grande Ourse,1er étage bat. 13 (campus Triolet)

Luca Ciandrini

Andréa Parmeggiani

– Comprendre comment les phénomènes physiques et chimiques influencent et/ou contrôlent les interactions entre les macromolécules biologiques

– Connaître les paramètres pertinents et les ordres de grandeurs caractéristiques de ces interactions.

– Appréhender les principes des méthodes expérimentales utilisées pour déterminer ces paramètres

– Relier les phénomènes physico-chimiques à des observations biologiques in vitro et in vivo (sur des bactéries, des virus, des cellules circulantes ou adhérentes…)

• Understand how physical and chemical interactions influence the properties of molecules (diffusion, self-assembly, conformational changes, …), of related assemblies (cytoskeleton, cytoplasm, nucleus and nucleoplasm, membranes, droplets, …) and of other phenomena (intracellular transport, cytoskeleton dynamics, nuclear organization, cellular mitosis, …), in vitro (bio-mimetic approach) and in the cell.
• Detect and control the relevant parameters and orders of magnitude characteristic of these properties, assemblies and phenomena.
• Understand the principles of the experimental methods used to measure these parameters.
• Relate physico-chemical phenomena to biological observations in vitro and in vivo (in bacteria, viruses, circulating or adherent cells, …)
• Extract information, analyze data and acquire methodological concepts from scientific articles to quantify biological processes, working in small teams of students in class or at home.
• Learn the interdisciplinary language of biology at the new frontiers of chemistry and physics.

L’approche est graduelle : les bases physico-chimiques des interactions entre biomolécules sont tout d’abord posées. Puis on examine comment les paramètres cinétiques d’interaction peuvent être expérimentalement déterminésin vitro(exemples à l’appui).

Les bases des interactions entre molécules biologiques de type amphiphiles (dont les lipides) sont ensuite abordées et la formation de membranes biologiques est expliquée. Leur autoassociation et leur interaction avec des protéines en solution et dans des membranes modèles est étudiée.

Les phénomènes d’assemblage et désassemblage des filaments du cytosquelette est aussi abordé. Cela permet d’introduire aussi la notion de production de forces au niveau des molécules individuelles (voire la polymérisation des filaments d’actine pour la motilité, la déformation ou le maintien de la forme cellulaire) et nous montrons à l’aide d’exemple quelles sont les  conséquences visibles de ces forces (déformation membranaire, adhésion cellulaire).

Enfin on dédie un chapitre aux méthodes d’étude sur « molécule individuelle » visant en particulier les machineries du cytosquelette et du noyau.

Le cours s’appuie sur une dizaine de séances de TD et quatre devoirs à la maison, réalisés en binômes.

The approach is gradual: the physico-chemical basis of interactions between biomolecules is established first. Then we examine how the static and kinetic parameters of interactions can be experimentally determined in-vitro and in-vivo via different examples.

We then explore the basis of the mechanochemical coupling at molecular and macromolecular levels, showing the revolutionary impact of this notion in describing intracellular and intercellular processes.

From the description of a single molecule, we then move to the analysis of extended systems, exploring the biophysical principles of the nuclear organization in prokaryotes and eukaryotes, of the cytoskeleton and of membrane and non-membrane compartments of cells (droplets).  These examples are useful to illustrate  recent notions of « self-organized nucleoplasm and cytoplasm ».  The notion of self-organization illustrates the importance of physical processes like spontaneous phase separation and collective phenomena of active matter as mechanisms that cells extensively use to function and live.

All these concepts are illustrated through examples during lectures and practical work, and in particular by putting emphasis on the experimental methods that allow us to investigate biological matter from a single molecule scale to very large complexes of macromolecules via methods that are less invasive as well as more precise (single molecule techniques, super-resolution microscopies and spectroscopies, high-throughput methods in genomics and epigenetics, …).  As a consequence, the course is strongly propaedeutic in order to understand the new frontiers of quantitative biology and bioengineering.

• Analyse et discussion d’articles scientifiques, mise sous forme de TD ou de devoirs faits à la maison (extraction et analyse d’informations)
• Acquisition des concepts méthodologiques pour quantifier ces interactions
• Rédaction d’un devoir (4 au total)
• Apprendre le langage interdisciplinaire de la biologie aux nouvelles frontières avec la chimie et la physique
• Maîtrise des logiciels de visualisation des structures 3D et des banques de données.

2ème session : ecrit