Morphogénèse dans les systèmes moléculaires

Nous nous inspirons du développement embryonnaire pour concevoir des systèmes biochimiques synthétiques capables d’auto-organisation spatio-temporelle. 

L'objectif de notre approche biomimétique est double. D'une part, en étudiant des systèmes moléculaires simples et contrôlables, qui conservent les caractéristiques essentielles de leurs analogues biologiques, nous espérons fournir de nouvelles informations sur l'émergence de comportements biologiques complexes, tels que la régulation des gènes et la morphogenèse. D'autre part, ces systèmes moléculaires dynamiques peuvent être considérés comme un nouveau type de matériaux mimant le vivant capables de s'adapter et de répondre de manière autonome à leur environnement. À cette fin, nous utilisons essentiellement des systèmes basés sur des réactions d’hybridation d’acides nucléiques, car leur réactivité peut être facilement prédite par les règles d'hybridation Watson-Crick. Ces systèmes s'auto-organisent dans l'espace et dans le temps selon deux mécanismes génériques : réaction-diffusion et matière active.

Une rampe de concentration dans un micro-canal interprétée par un logiciel moléculaire fait apparaître une carte chimique à trois bandes. D'abord liquide, cette carte se solidifie à l'aide de microbilles.

En savoir plus

Plus précisément, nous travaillons avec trois systèmes expérimentaux qui s'auto-organisent dans l'espace et dans le temps à travers différents mécanismes et à différentes échelles.

1) La boîte à outils ADN PEN, un langage de programmation moléculaire basé sur des brins d’ADN courts et trois enzymes qui peuvent être maintenus hors d’équilibre pendant des dizaines d’heures et s’auto-organiser en divers profils de concentration grâce à un mécanisme de réaction-diffusion que nous pouvons contrôler avec précision.

2) Matière active composée de moteurs et de filaments du cytosquelette.

3) Cultures cellulaires qui interagissent avec des brins d'ADN.

Résultats importants
  • Démonstration d'ondes de propagation et de spirales dans un système chimique programmable à base d'ADN (Padirac et al, JACS 2013). Couverture de JACS.
  • Démonstration de fronts chimiques qui se propagent avec une interaction minimale (Zadorin et al, PRL, 2015). 
  • Réalisation synthétique d'un profil de concentration de type "drapeau français", un modèle générique en biologie du développement (Zadorin et al, Nature chem. 2017).

Projets

Projet 1. Matière molle métabolique mimant le vivant: Nous adoptons une approche chimique synthétique et combinons des modèles auto-organisés avec des matériaux pour créer des matériaux qui miment le vivant, capables de s'adapter et de réagir de manière autonome à leur environnement. Ces matériaux "métaboliques" ou "animés" sont construits en combinant un matériau sensible aux stimuli avec une solution biochimique active, c'est-à-dire un réseau de réaction chimiques maintenu en dehors de l'équilibre. Nous tirerons parti des solutions actives ADN / enzyme pour jeter les bases de matériaux capables d'imiter certaines des fascinantes capacités dynamiques de la matière vivante : traitement d'informations chimiques complexes, génération de forces sous le contrôle de stimuli chimiques et auto-organisation dans une forme finale bien définie. Ce projet a été financé par une subvention ERC consolidator.

Projet 2. Des structures chimiques synthétiques en tant que modèle minimal de formation de motifs lors du développement : l'objectif est d'utiliser un modèle expérimental in vitro pour tenter d'éclairer le processus de formation de motifs moléculaires au cours du développement embryonnaire précoce. Pour ce faire, nous utiliserons un modèle expérimental artificiel de formation de motifs à base d'un gradient que nous avons récemment développé, fondé sur des réseaux de réaction à l'ADN (Zadorin et al, 2017). Nous poserons la question suivante : un mécanisme purement de réaction-diffusion peut-il nous aider à comprendre la formation des profils de concentration prononcés observés dans le blastoderme de Drosophila? En particulier, nous étudierons expérimentalement l’influence de la stochasticité sur la formation de motifs moléculaires.