MICA
Microsystèmes cellulaires
Introduction
L’équipe cherche à répondre à des questions de biologie cellulaire en s’appuyant sur des concepts et des outils issus de la physique.
Domaines d’expertises : Physique des systèmes vivants à l’échelle cellulaire, Microfluidique, Métabolisme cellulaire, Biologie des cellules invasives (cellules cancéreuses, champignons)
Responsable d’équipe
Catherine Villard
(DR)
L’équipe cherche à répondre à des questions de biologie cellulaire en s’appuyant sur des concepts et des outils issus de la physique.
Plus précisément, les axes de recherche actuels sont :
- La biomécanique des cellules cancéreuses
Cet axe a pour objet l’étude de la rhéologie des cellules en suspension, détachées de leurs substrats, à des échelles inférieures à la seconde. Nous nous intéressons à des déformations importantes sondant la rhéologie de la cellule, du noyau et des mitochondries, tels que celles rencontrées dans des processus de migration ou de dissémination cellulaire.
– Mécanique des cellules tumorales circulantes (2020-2024)
L’ambition ultime de ce projet est de trouver de nouvelles cibles contre ces cellules clés dans le processus métastatique, sur la base du constat que qu’elles subissent des déformations rapides au sein des micro-vaisseaux sanguins. Nous étudions ainsi les conséquences morphologiques, de l’échelle cellulaire à l’échelle moléculaire, des déformations rapides de ces cellules ainsi que de leurs noyaux.
– Mécanique du noyau comme cible diagnostique et thérapeutique des glioblastomes (2022-2025)
Ce projet est basé sur l’hypothèse selon laquelle la mécanique nucléaire peut être utilisée comme outil diagnostic et comme cible thérapeutique pour l’agressivité des glioblastomes et leur résistance aux traitements.
- La biophysique de la croissance des hyphes
Ces recherches sont inspirées par l’extrême adaptabilité des espèces fongiques à leur environnement physico-chimique.
Nous avons observé (thèse E. Couttenier, 2017-2020) que les hyphes de la levure filamenteuse et pathogène opportuniste de l’humain, Candida albicans, adoptaient une croissance oscillante dans diverses situations de confinement (hydrogels, chambres microfluidiques de hauteur inférieure au diamètre d’un hyphe … ).
Cette observation a généré plusieurs questions, et projets, relatifs à l’intérêt de ces modalités oscillantes (en 2D) ou helicoidale (en 3D) pour la virulence et plus généralement l’invasion de milieux complexes.
Par ailleurs, l’existence d’une transition réversible entre les morphotypes « levure » et «hyphe » de C. albicans est une des clés de sa pathogénicité. En collaboration avec M. Delarue du LAAS (Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes), nous étudions l’impact de la mécanique dans la transition entre ces morphotypes, et plus généralement l’influence de l’environnement physique dans l’induction et la croissance hyphale. L’étude de ce microbe dans des contextes mécaniques définis est une approche originale qui permet de mieux appréhender les mécanismes de sa virulence.
Enfin, sur la lancée d’un projet mené conjointement par les équipes B2C et Dyco, nous élargissons nos intérêts pour la pousse d’hyphes individuels à d’autres types de champignons, i.e. Podospora anserina.
Thématiques en démarrage:
Nous souhaitons élargir nos activités sur les microorganismes à deux grandes catégories du vivant :
– Les levures marines
Les océans recèlent une biodiversité foisonnante. Si l’étude des organismes photosynthétiques ont fait l’objet de campagnes récentes, ceux appartenant au royaume des champignons sont encore très peu étudiés malgré leur rôle majeur dans le stockage du carbone. En effet, la vie dans le plancher océanique où a lieu la décomposition du flux continu de matières organiques venant de la surface est essentiellement fongique.
– Microplancton
L’extrême biodiversité des ces organismes photosynthétiques posent aussi des questions sur les interactions entre types cellulaires, ou avec l’exposome de nature anthropogénique.
Un des axes futurs de l’équipe sera l’étude de ces organismes.
A venir
State of the art, project’s objectives and research hypotheses
Helically coiled filaments are found everywhere in nature. They are observed at different scales ranging from molecular (intermediate filament vimentin1,2, microtubules3) to sub-cellular (bacterial flagella4) or multicellular structures (climbing vines or roots5). The helical growth found in plant root, named circumnutation, has been recently identified as crucial for exploratory modalities and substrate penetration6, giving to this generic geometry of life a high biological and ecological relevance. This strategy used by plants provides also inspiration in the robotic field, stimulating the development of algorithms for motion planning to enhance the performance of soft robots7. Helical growth is not the only mode of oscillatory growth: when confined at the surface of a tilted plane, roots can adopt waving or coiling morphologies8. Fungal hyphae, another type of filaments evolving in complex environments, display also oscillatory growth modalities, as sporadically reported in a few studies and coined as diversely as kinks9, coils10, zigzag11, sinusoids12 or helices12.
We (P#1 and P#3) have observed this phenomenon in the filamentous yeast Candida albicans, a benign member of the human microbiota which can turn into one of the most deadly opportunistic fungal pathogens of humans. Interestingly, our preliminary results show that the helical versus sinusoidal, coiled or even straight growth of C. albicans hyphae can be finely tuned using various physical confinements set by microfabricated environments13. Moreover, oscillatory behaviors in C. albicans have occasionally been associated in the literature to increased virulence9 and to antifungal resistance14. C. albicans thus provides a relevant model system for the study of the oscillatory geometries of life in a fundamental standpoint with possible relevance for fungal pathologies.
The diversity of oscillatory shapes has been unified recently under the concept of “squeelices” by one of the partner of this project (P#2). A rich physics emerges when helices become confined, ruled by the value of a single dimensionless parameter γ defined as the ratio between bending and twisting energies2,3,15.
The core objective of this project is to provide a comprehensive mechanistic understanding of the diversity of the oscillatory, “squeelical” shapes in a biological system with a high stake for human health. It will be supported by innovative technologies in microfluidics and biomimetic systems. HelPath covers several hypotheses supporting a multi-scale, interdisciplinary approach, developed into different work packages. In a constant back and forth between experiments (WP1) and theory (WP2), we will:
– quantitatively and systematically analyze/model the wide variety of oscillatory shapes produced by C. albicans hyphae in different environments (bulk hydrogels of various stiffness, microfluidic devices, adhesive Petri dishes) and physical confinements. Hyphae, which undergo continuous elongation and moreover solidifies downstream of the growing tip, will in particular stimulate new developments of the squeelice concept.
– test some biophysical hypotheses leading to the observed oscillations, which will involve molecular actors at the hyphal tip (polarity machinery and cytoskeleton filaments) and cell wall expansion and thickness markers by following their dynamics using time-lapse experiments.
We will then assess in a third WP the relevance of oscillatory behaviors in host-pathogen interactions and in the susceptibility to antifungal agents. WP3 will benefit from the fundamental understanding provided by WP1&2 and from state-of-the-art organ-on-chip approaches.
This project gathers the biophysical and technological expertise of C. Villard, Laboratoire Interdisciplinaire des Energies de Demain – Paris (P#1), the theoretical and modeling background of I. M. Kulić, Institut Charles Sadron – Strasbourg (P#2) as well as the extensive knowledge in C. albicans molecular biology and genetics of S. Bachellier-Bassi, Institut Pasteur – Paris (P#3).
References
1- Herrmann and Aebi, https://doi.org/10.1146/annurev.biochem.73.011303.073823
2- Bouzard, Lila,…, Mohrbach & Kulić, https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.098101
3- Mohrbach, Johner and Kulić, https://doi.org/10.1007/s00249-011-0778-0
4- Macnab, https://doi.org/10.1073/pnas.74.1.221
5- Migliaccio, Tassone and Fortunati, https://doi.org/10.3732/ajb.1200314
6- Taylor et al, https://doi.org/10.1073/pnas.2018940118
7- Wooten and Walker, https://doi.org/10.1007/978-3-319-43488-9_1
8- Han et al., https://doi.org/10.1073/pnas.1509942112
9- Hube et al., https://doi.org/10.1099/00221287-147-4-879
10- Simmons et al., https://doi.org/10.1128/jcm.24.1.21-25.1986
11- Takeshita et al., https://doi.org/10.1091/mbc.e07-06-0523
12- Brand et al., https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.2008.06592.x
13- Couttenier PhD, https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03113033/
14- Sherwood-Higham et al., https://doi.org/10.1080/02681219480000591
15- Nam, Lee, Mohrbach, Johner and Kulić, https://doi.org/10.1209/0295-5075/100/28001
16- Bartnicki-Garcia et al., https://doi.org/10.1016/S0006-3495(00)76483-6
17- Grassart et al., https://doi.org/10.1016/j.chom.2019.08.007
18- Darwin, Charles, and Francis Darwin. The power of movement in plants. John Murray, 1880.
19- Couttenier, Bachellier-Bassi, d’Enfert and Villard, 10.1039/D2LC00219A