Le transport intracellulaire des macromolécules, organelles et vésicules est un processus extrêmement compliqué qui détermine et contrôle plusieurs réactions biochimiques, ainsi que la croissance et le fonctionnement des cellules vivantes. La diffusion thermique passive dans le cytoplasme surencombré est combinée avec le transport actif par des protéines motrices attachées aux microtubules. Ce mécanisme conduit à des diffusions anormales qui ont trouvées des évidences expérimentales abondantes, sans avoir le consensus sur le mécanisme physique et le modèle mathématique approprié. Le progrès récent dans les techniques de suivi des particules individuelles par des caméras rapides ou des pinces optiques a permis d’aborder ce problème et d’étudier les propriétés structurales, dynamiques et fonctionnelles des cellules vivantes. En particulier, les trajectoires aléatoires des traceurs à l’intérieur des cellules permettent de discriminer entre les différents mécanismes physiques (tels qu’une « mise en cage » dans un milieu surencombré du cytoplasme, les propriétés viscoélastiques du cytosquelette, ou la structure hiérarchique du milieu) et d’identifier le modèle théorique approprié de la diffusion anormale (par exemple, marches aléatoires à temps continu, équation de Langevin généralisée, diffusion sur les fractales). Comme les traceurs se déplacent dans des milieux spatialement hétérogènes et évoluant en temps, la répétition d’acquisition est fréquemment indisponible ou même indésirable. On fait face donc à un problème fondamental de pouvoir inférer les propriétés dynamique, structurale et fonctionnelle des cellules vivantes à partir d’un nombre limité (voire, petit) des réalisations aléatoires d’un processus stochastique inconnu. Le défi majeur est donc l’analyse statistique et l’interprétation biophysique des trajectoires aléatoires acquises. On a pour but de rassembler des expertises en physique, statistique et biologie pour développer un nouveau protocole d’inférence plus fiable. A plus long terme, cette étude conduira à une compréhension plus profonde des mécanismes biophysiques et à une meilleure modélisation mathématique du transport intracellulaire, avec des applications biomédicales potentielles telles que le contrôle de l’infection virale ou la libération plus efficace de médicaments.
Ce projet mené par D. Grebenkov a été soutenu par l’ANR (ANR-13-JSV5-0006-01), voir le site www.inadilic.fr pour plus d’information.
Publications principales du groupe :
- D. S. Grebenkov, First Exit Times of Harmonically Trapped Particles : A Didactic Review, J. Phys. A : Math. Theor. 48, 013001 (2015)
- D. S. Grebenkov, M. Vahabi, E. Bertseva, L. Forro, and S. Jeney, Hydrodynamic and subdiffusive motion of tracers in a viscoelastic medium, Phys. Rev. E 88, 040701(R) (2013)
- E. Bertseva, D. S. Grebenkov, P. Schmidhauser, S. Gribkova, S. Jeney, and L. Forro, Optical Trapping Microrheology in Cultured Human Cells, Eur. Phys. J. E 35, 63 (2012)
- D. S. Grebenkov, Probability Distribution of the Time-Averaged Mean-Square Displacement of a Gaussian Process, Phys. Rev. E 84, 031124 (2011)