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Le dichroïsme circulaire vibrationnel (VCD) est la faible différence d'absorption entre la lumière polarisée circulaire droite et gauche par une molécule chirale, dans le domaine des transitions vibrationnelles. Outre son utilisation pour la détermination des configurations absolues, le VCD est très sensible à l'isomérie conformationnelle, aux interactions moléculaires et à la solvatation, et fournit ainsi une sonde extrêmement sensible de ces effets. Toutefois, une description quantitative des spectres VCD de molécules complexes dans des environnements réalistes, comme c’est par exemple le cas pour une molécule d’intérêt pharmaceutique en solution aqueuse, se heurte toujours à deux difficultés majeures. D’une part, la flexibilité moléculaire doit être prise en compte à un coût de calcul acceptable. D’autre part, l’allure des spectres VCD en phase condensée peut être fortement altérée par les interactions moléculaires avec l’environnement, en particulier le solvant, ce dont les méthodes utilisées actuellement rendent compte de façon insuffisante. En effet, il est possible de reproduire les changements d'équilibre conformationnel avec le solvant grâce à des études structurelles précises, mais la sensibilité des spectres VCD aux interactions spécifiques avec l'environnement reste en revanche une question ouverte. Un cas particulièrement complexe est la liaison hydrogène, qui modifie les moments dipolaires électriques et magnétiques associés à un mode de vibration donné, et donc l’allure de la transition associée dans le spectre VCD. Le projet Dichroprobe vise à développer des méthodes dépendant du temps innovantes, qui reposent en particulier sur des simulations de dynamique moléculaire (MD), pour calculer les spectres IR et VCD à partir des fonctions de corrélation temporelle des moments dipolaires électriques et magnétiques, rendant ainsi compte de l'anharmonicité, des effets de température, et des effets d’environnement. Les calculs de dynamique moléculaire par champs de force polarisables et de MD premiers principes seront validés par comparaison avec les spectres VCD expérimentaux en phase condensée, obtenus dans différents solvants, non polaires comme le chloroforme ou polaire comme le DMSO ou des solvants protiques. La variation des spectres en fonction de la température informera directement sur les équilibres conformationnels. Les spectres obtenus par MD seront comparés à des méthodes statiques de type « cluster-in-a-bulk», qui décrivent l'interaction soluté-solvant comme un agrégat de taille finie, contenant le soluté et un petit nombre de molécules de solvant, dans un solvant traité comme un continuum polarisable. Les calculs de dynamique moléculaire par champs de force polarisables seront étendus au solide et aux systèmes supramoléculaires, pour lesquelles aucune théorie satisfaisante n’existe à l’heure actuelle. Les spectres simulés dans ce cadre seront comparés aux spectres expérimentaux. Des outils d'attribution de mode seront développés dans le cadre des simulations MD pour une description complète des modes de vibration. Cela sera spécialement utile dans le cas d’agrégats ou pour le solide dans lequel le couplage entre modes et les couplages excitoniques vibrationnels devraient avoir de fortes conséquences sur la forme des spectres VCD. Outre son intérêt spectroscopique fondamental, ce projet fournira des outils inestimables pour simuler les spectres VCD de systèmes flexibles de grande taille, dans des environnements réalistes, et à un coût acceptable. Ces outils innovants et fiables seront développés sur la base d’une politique « open access » et seront implémentés dans des logiciels d’accès libre. Ce travail sera donc bénéfique pour une large communauté dans le domaine de la chimie et de la pharmacologie où la chiralité est omniprésente et aidera à promouvoir le VCD comme outil analytique efficace.

Ce projet vise à développer une nouvelle plateforme analytique, appelée le Lab-in-Droplet, qui intègre i) un traitement d'échantillon en gouttes reposant sur des billes magnétiques et ii) l’électrophorèse capillaire de gouttes, appelée «Digital CE» (DCE). Ce Lab-in-Droplet offrira à la fois un traitement efficace des échantillons et une séparation résolutive des analytes dans des gouttes nanométriques. Ce sera la première plateforme capable de coupler des modules de traitement d'échantillons et de séparation d'analytes en évitant les incompatibilités de volumes de travail et surmontant les défis instrumentaux et méthodologiques rencontrés lors de l'intégration de modules analytiques. Pour démontrer l'applicabilité du Lab-in-Droplet, la plateforme sera utilisée pour cartographier les glycanes de la transferrine humaine (Tf), servant au diagnostic de l'abus chronique d'alcool et au dépistage des troubles congénitaux de glycosylation (CDG). Le module de traitement d'échantillons à base de billes magnétiques servira à la N-déglycosylation, le marquage fluorescent de glycanes avant la cartographie des glycanes réalisée par DCE. Dans un cadre d'application plus vaste, la plateforme du Lab-in-Droplet fournira un nouvel outil d'élucidation des mécanismes pathologiques conduisant à des glycosylations anormales, et servira à la découverte de nouveaux biomarqueurs glycosylés de pathologies. Notre objectif de recherche à long terme est de convertir le nouveau concept du Lab-in-Droplet en un outil robuste, polyvalent et à haut débit pour des analyses sélectives et sensibles de divers biomarqueurs, notamment les glycopeptides et les glycoprotéines dans les matrices biologiques. Cet outil sera réalisé dans un format ‘meso-échelle’, avec une fonctionnalité d'automatisation complète pour apporter la robustesse et de la transportabilité. Différents ‘work packages’ (WPs) sont prévus pour la réalisation du projet: i) la conception du système du DCE avec l’analyse séquentielle par injection (SIA), ii) la séparation par DCE des glycanes de la transferrine humaine après N-déglycosylation; iii) le traitement des échantillons en gouttes pour la libération et le marquage fluorescent des glycanes de la Tf et iv) le développement de la plate-forme du Lab-in-Droplet pour cartographier les glycanes de la Tf. Pour aider à la mise en œuvre de ce projet, un réseau de collaborations multidisciplinaires a été imaginé, avec le partenaire stratégique et clinique de l’Hopital Bichat (Paris) et des collaborateurs de l'Institut Curie (Paris) et de l'Université de Bâle (Suisse). Le projet proposé, tout en étant en toute cohérence avec les thématiques principales de l'équipe de rattachement du jeune chercheur sur le développement de méthodologies électrocinétiques, la découverte et l'analyse de biomarqueurs basés sur des protéines / peptides, apportera une nouvelle expertise au groupe par le DCE et le traitement des échantillons en gouttes. En termes d'innovation, la plate-forme du Lab-in-Droplet fournira un nouvel outil pour élucider les défauts de glycosylations en lien avec des pathologies mais aussi le DCE ‘méso-échelle’ qui viendra combler le vide encore peu exploré entre la CE et le laboratoire sur puce. En termes de contribution économique, le Lab-in-Droplet accélérera la découverte de nouveaux biomarqueurs en relation avec des glycosylations altérées et conduira au développement de nouveaux outils de diagnostic permettant de réduire les coûts de santé et de soins grâce à un meilleur suivi du patient et de son traitement et à des diagnostics plus précis, précoces et discriminants. La plate-forme du Lab-in-Droplet pourrait ouvrir un nouveau marché, celui des dispositifs analytiques faible cout et peu sophistiqués. Un transfert de la technologie est prévu, dans l'espoir de convertir le prototype de recherche du Lab-in-Droplet en un produit commercial.

De nos jours, les photocommutateurs moléculaires intelligents capables de basculer entre au moins deux états avec des réponses physiques différentes reçoivent toujours une attention croissante. Jusqu'à présent, les principes des molécules photocommutables sont toujours basés sur les mêmes processus photochimiques élémentaires tels que le transfert de charge intramoléculaire (ICT) ou encore le transfert de protons à l'état excité (ESPT). Dans ce projet, nous proposons de concevoir une nouvelle classe de photocommutateurs basés sur le transfert de cation à l'état excité (ESCT). Cependant, même si de nombreux systèmes basés sur la photo-injection de cations ont été développés au cours des trois dernières décennies, les photocommutateurs moléculaires basés sur la translocation d'ions entre deux sites de coordination restent largement inexplorés. Le projet ExStaCaT propose de concevoir et d'étudier une architecture moléculaire soigneusement conçue pour ainsi développer un photocommutateur de type ESCT efficace. Celui-ci sera composé de différentes unités photo-actives et complexantes liées à un photo-éjecteur de cations permettant de contrôler la position et le mouvement du cation dans le système, déclenchant ainsi des réponses spectroscopiques spécifiques et identifiables. La première étape consistera à développer un système photocommutable de type ESCT preuve de concept suivi, dans un deuxième temps, par la conception de photocommutateurs ESCT intelligents (bistables). Pour explorer ce nouveau domaine de la photocommutation organique, ce projet repose sur le développement de stratégies de conception moléculaire innovantes soutenues par un consortium combinant la synthèse organique (PPSM), la conception moléculaire et les calculs (TD-)DFT (IRCP) ainsi que la spectroscopie résolue pour rationaliser puis contrôler les processus photoinduits (LASIR). Plusieurs systèmes seront conçus avec une stratégie basée sur des synthèses de chimie organique bien établie et convergente, comprenant entre autre des réactions de couplage, soutenues par une étape de design moléculaire in silico. De plus, afin de suivre les réactions ESCT, le développement d’un système de spectroscopie photolyse laser à deux pompes et deux couleurs sera nécessaire. Le projet ExStaCaT vise ainsi à explorer un nouveau domaine de la photochimie organique et ouvrir la voie vers des systèmes avancés avec des applications potentielles comme le stockage d’information ou les porte logiques.

Les ondes de surface interviennent dans un grand nombre d'applications, des procédés industriels (enduction, solidification, écoulements diphasiques pétroliers) aux écoulements naturels (transferts de chaleur et de masse à l'interface atmosphère-océan, génie côtier etc.) Le but de ce projet est d'étudier le mécanisme de formation des vagues par le vent au-dessus d'un fluide visqueux, au moyen de mesures optiques de surface de très haute résolution, réalisées au FAST (Orsay), et de simulations numériques et d'expériences en présence d'un écoulement turbulent sur une surface déformée, réalisées à l'IMFT (Toulouse). L'objectif est de comprendre l'origine des premières déformations de la surface observées même bien avant le seuil de formation des vagues, ainsi que la nature de l'instabilité et de l'évolution non-linéaire des vagues au-delà du seuil.

Le projet CHACRA vise l’étude fondamentale des processus de transfert de charge (CT) sur des assemblages moléculaires adsorbés sur une surface de silicium fonctionnalisée par une couche isolante. Nos récents travaux expérimentaux concernant la manipulation et le découplage électronique de molécules individuelles sur du silicium épitaxié par le CaF2 ainsi que le transfert de charge sur des homodimères de Fe-tetraphenyl-porphyrines nous permettent d’envisager d’utiliser la microscopie à effet tunnel à basse température (9 K) couplée à une mesure de luminescence pour induire, analyser et contrôler des CT sur des assemblages moléculaires (MA) modèles simples. Notre stratégie est de réunir des savoir-faire et expertises ad-hoc afin d’obtenir des conditions de travail innovantes uniques en France pour l’étude des CT à l’échelle atomique. Pour cela, nous nous focaliserons sur l’utilisation de molécules de la famille des métalloporphyrines que nous étudierons en dimères ou trimères covalents ou non. La forme dimère représente un système type donneur-accepteur (DA) pour lequel l’influence de la conformation de la structure électronique initiale sur l’efficacité du CT sera étudiée grâce à l’injection de charges très localisées via une pointe STM. Le modèle trimère vise à modéliser l’effet d’un pont moléculaire entre DA sur les processus de CT. Nous envisageons également d’analyser et comprendre les effets de la surface en manipulant les molécules étudiées à l’échelle nanométrique. L’ensemble permettra de mettre en évidence divers processus tels que les CT tunnel, résonnant, par saut ou superexchange. Il s’agira de détecter séquentiellement un changement de conformation couplé ou non à l’observation de molécules chargées (transfert d’électron ou de trou) par une étude statistique. Nous envisageons également l’analyse du transfert de charge via la détection de la luminescence émise par le groupement moléculaire ainsi que l’analyse statistique du clignotement du signal optique émis par le MA. Ainsi, l’utilisation de lanthanide comme métal central permettra d’obtenir des caractéristiques spécifiques de spectre d’émission en termes de longueurs d’ondes et de durées de vie (déclins de luminescence) durant l’excitation. Pour former des dimères et trimères covalents sur la surface isolante, nous ferons appel à l’expertise de l’ICMMO afin de synthétiser des molécules possédant des groupements C-Br et les utiliser comme ligands réactifs. Les méthodes de synthèse de ces molécules sont bien connues et parfaitement maîtrisées par l’équipe concernée et l’insertion de métaux de transition ou de lanthanides ne présente pas de complexité particulière. Ces études seront renforcées par notre expertise en simulation numérique des systèmes de grande taille tenant compte des interactions moléculaires à longues portées. Pour cela nous envisageons d’utiliser différents codes exploitant la théorie de la fonctionnelle de la densité et les interactions de van der Waals. Dans un premier temps, nous simulerons l’état électronique stationnaire de l’ensemble molécules + surface afin de tenir compte de la faible interaction du substrat avec l’adsorbat. Puis, nous simulerons la formation d’anions ou de cations comme ceux obtenus après CT. Enfin, nous exploiterons les outils de la DFT dépendante du temps sur de petits systèmes afin de fournir une image de la dynamique du CT. Grâce à la synergie expérience/simulation dont l’expertise unique des trois groupes ISMO, IS2M, FEMTO-ST est reconnue, combinée au savoir-faire en synthèse des métalloporphyrines de l’ICMMO, nous sommes en mesure de proposer un programme de recherche ambitieux et innovant afin d’apporter une nouvelle voie de compréhension des processus de CT à l’échelle moléculaire.

Ce projet vise à étudier expérimentalement et théoriquement, s'il est possible de piloter un système d'un état à un autre sur une durée qui est plusieurs ordre de grandeurs plus courte que son temps de relaxation naturel. Des travaux récents, regroupés sous l'appellation "courts-circuits à l'adiabadicité" (Shortcut To Adiabadicity - STA), ont démontré qu'une telle opération était possible dans des systèmes classiques isolés ou des systèmes quantiques, à l'aide de protocoles spécifiques. Ces exemples, qui relèvent pour l'essentiel du transport et de la préparation d'états quantiques, ont été mis en œuvre dans des conditions d'isolement. A rebours de ces travaux, notre propos est d'étudier des système ouverts et thermostatés. Il s'agit-là d'un point clé en vue d'applications futures. Le projet que nous proposons est de nature tout à la fois théorique et expérimentale, et procède d'un équilibre entre ces deux volets. Deux systèmes de choix ont été retenus pour le travail expérimental, pour leur complémentarité : les colloïdes confinés, et les dispositifs de microscopie à force atomique. Dans ce contexte nous aborderons quatre classes de questions: 1. La résolution des équations de Fokker-Planck, d'où l'on peut tirer la définition des protocoles requis pour accélérer le retour à l'équilibre, comme dans l'exemple de la détente d'un gaz, ou d'un ensemble d'objets colloïdaux. 2. La mise en œuvre expérimentale des processus ainsi obtenus, dans le contexte colloïdal ou des micro-oscillateurs, notamment au bénéfice de la microscopie atomique. 3. Nous nous pencherons par ailleurs sur les facteurs limitants d'un point de vue applicatif, avec une attention particulière portée à la robustesse et aux aspects énergétiques. 4. Enfin, nous étendrons l'analyse à la relaxation entre états hors d'équilibre stationnaires. Ces questions présentent un intérêt fondamental, mais débouchent par ailleurs naturellement sur des applications en nombre, en physique statistique, en biologie, ainsi que dans l'élaboration de dispositifs de dimensions réduites, où l'on ne peut s'affranchir de fluctuations importantes. Cette thématique de recherche concerne la robustesse et le contrôle, par l'application de forces extérieures judicieusement choisies. Toutefois, notre approche se distingue des méthodes existantes par son caractère "pro-actif", par opposition aux méthodes de contrôle par "rétro-action", et par la prise en compte des sources de bruit, qu'elles soient de nature thermique ou non. C'est un signe distinctif qui sert également de fil conducteur aux axes de recherche explorés. Dans un panorama élargi, notre projet s'inscrit dans un champ de recherche émergeant, où chaque tache aborde un point clef d'un plus vaste programme (phénoménologie dans le cadre sur-amorti, pertinent dans une catégorie de problèmes tel que les colloïdes en solution ; nouveaux effets liés à la dynamique sous-amortie, dont les micro-leviers de microscopie à force atomique constituent l'exemple emblématique ; transition vers les grands nombres de degrés de liberté avec des colloïdes paramagnétiques). Dans ce panorama, nous avons déjà réalisé deux expériences de preuve de principe, qui assoient la pertinence de notre demande. L'une d'entre elle conduit à des protocoles brevetables pour l'imagerie en microscopie à force atomique, et démontrent son réel potentiel de valorisation.

Dans ce projet, à la frontière de nos connaissances dans le domaine du magnétisme quantique, nous proposons d’étudier expérimentalement et théoriquement les propriétés des liquides de spins quantiques (LSQ) générés par la frustration des interactions magnétiques sur un réseau ordonné. Ce n’est que récemment que les progrès en chimie des matériaux ont permis de réaliser les tous premiers composés à géométrie kagomé (matériaux quasi-2D à réseau triangulaire avec sommets partagés), S=1/2, qui sont les meilleurs candidats pour sonder cette nouvelle physique de LSQ en dimension supérieure à 1. Malgré sa simplicité apparente, le modèle de Heisenberg antiferromagnétique proches voisins pour des spins localisés sur ce réseau s’est avéré être un des problèmes les plus ardus de la matière condensée. De nouvelles approches théoriques se développent et permettent à présent des confrontations avec les résultats expérimentaux, laissant augurer des progrès décisifs dans ce domaine dont les enjeux et intérêts scientifiques se situent clairement à l’échelle internationale. Notre projet repose sur 4 axes complémentaires qui couvrent le triptyque matériaux-expérience-théorie au sein d’un même consortium : (i) Réaliser la synthèse de monocristaux de haute qualité d’un composé dérivé de l’emblématique herbertsmithite permettant de contrôler quantitativement et caractériser à un stade sans précédent les défauts spontanés ou intentionnels, afin d’accéder aux propriétés intrinsèques de la physique kagomé. (ii) révéler les propriétés physiques de composés récemment découverts dans le cadre de coopérations internationales, et qui, de par leurs caractéristiques différentes, ouvrent de nouvelles voies pour l’étude des LSQ. (iii) explorer de nouvelles voies en synthèse des matériaux, en particulier le cas kagomé S=1peu exploré jusqu'à présent, sur la base d’idées originales de notre consortium. (iv) sur le plan théorique, développer de nouvelles approches pour calculer les grandeurs thermodynamiques et les spectres dynamiques à basse température, un point crucial dans le domaine, et traiter le cas d’impuretés de spin S=0 ou S=1, en relation avec les points i), ii) et iii). Les matériaux modèles sélectionnés, issus des méthodes de synthèse et cristallogenèse les plus avancées à l’échelle internationale et soigneusement caractérisés du point de vue physico-chimique et structural, seront étudiés en détails par une combinaison unique de techniques locales résonantes (résonance magnétique nucléaire, des muons) ou résolues dans l’espace réciproque avec la diffusion de neutrons inélastique. De plus, nous modifierons ces matériaux, soit par les conditions extérieures (pression, champ), soit par des variations chimiques bien maitrisées en suivant une stratégie « perturber pour révéler ». Ici les techniques locales sont primordiales par leur résolution spatiale. Au-delà de collaborations internationales bien établies, l’idée centrale de notre projet est d’acquérir la maîtrise de toutes les étapes dans les études, depuis la conception des matériaux à leur synthèse et jusqu’à la théorie. Notre projet regroupe des chercheurs reconnus aux compétences complémentaires pour couvrir tous les domaines : Institut des Matériaux de Nantes et Institut de Chimie de la Matière Condensée à Bordeaux pour la synthèse et la croissance de cristaux, l’équipe d’Orsay (LPS) pour la RMN et la µSR, en étroite collaboration avec B. Fak (ILL Grenoble) pour la diffusion de neutrons, et les équipes théoriques du LPTMC, Paris et LPT, Toulouse qui développent une nouvelle collaboration dans le cadre de ce projet. Nous projetons de publier nos résultats conjointement dans des revues internationales à fort impact. Nos études et notre thématique seront disséminées à différents niveaux depuis la participation à ou l’organisation de conférences internationales ou nationales jusqu’à des actions de vulgarisation de plus grande ampleur dirigées par J. Bobroff (« La physique autrement ») du LPS.

L'effet Kondo dans les boites quantiques est un effet d'interaction qui apparaît à basse température et décrit l'écrantage d'un spin de la boite par les électrons de conduction des réservoirs. Le projet s'intéresse à l'extension spatiale du nuage d'écrantage autour de la boite, qui reste largement inexploré expérimentalement. D'après la théorie, ce nuage Kondo s'étend sur plusieurs microns dans les réservoirs et possède un fort degré d'intrication quantique. Nous proposons d'explorer ces propriétés en combinant des mesures de transport et de microscopie à grille locale à très basse température sur des dispositifs contenant une ou deux boites quantiques couplées à différents réservoirs. Les résultats attendus sont la première mesure de l'extension du nuage Kondo et la démonstration de son intrication de spin. Le projet implique quatre partenaires avec des expertises reconnues et complémentaires en : - croissance par épitaxie d'hétérostructures GaAs/AlGaAs et en nanofabrication (Dominique Mailly et Ulf Gennser au C2N), - électronique quantique à très basse température et haute fréquence (Louis Jansen et Marc Sanquer à PHELIQS), - microscopie à grille locale dans les dispositifs quantiques semiconducteurs (Hermann Sellier à NEEL, et Benoit Hackens à l'IMCN en Belgique). Le premier objectif est de mesurer l'extension du nuage Kondo autour d'une boite quantique par des études dans l'espace réel. Cette mesure utilisera la technique de microscopie à grille locale pour contrôler la longueur du réservoir électronique qui produit l'écrantage Kondo grâce à une électrode de grille mobile. La mesure de la longueur Kondo sera déduite de l'évolution de la résonance Kondo avec la longueur du réservoir, dont la densité d'états sera modulée par des effets de taille finie. L'interférométrie à grille locale sera également utilisée pour sonder l'évolution en distance de la phase de transmission des électrons au travers de la boite quantique, qui a une signature caractéristique dans le régime Kondo. Le second objectif est de démontrer l'existence d'un couplage induit par l'effet Kondo entre deux boites quantiques séparées par un réservoir commun et placées en régime Kondo. Pour une température Kondo typique de 300 mK, la longueur Kondo attendue est d'environ 5 µm, ce qui est très grand comparé à la taille de chaque boite quantique. L'interaction mutuelle entre les résonances Kondo des deux boites sera étudiée par des mesures de transport, en utilisant des contacts source et drain sur chaque boite. Le recouvrement des deux nuages Kondo devrait provoquer un effet Kondo global sensible au spin des deux boites. Le contrôle du poids relatif entre l'interaction RKKY et l'effet Kondo sera central dans cette étude. Le troisième objectif est de mettre en évidence expérimentalement les propriétés d'intrication du nuage Kondo. La méthode sera de mesurer les corrélations qu'un nuage Kondo commun devrait imprimer sur les spins de deux boites quantiques séparées mais connectées au même réservoir. Des mesures rapides sur des événements uniques seront réalisées pour déterminer simultanément l'état de spin des deux boites initialement couplées par effet Kondo juste après la suppression rapide de cette interaction Kondo. Cette expérience utilisera des détecteurs de charge rapides et l'effet de blocage de spin par exclusion de Pauli dans les systèmes à double boite. L'observation de corrélations non nulles sera une signature de la nature intriquée du nuage Kondo. KONEX est un projet de recherche fondamentale en matière condensée, correspondant au comité d'évaluation CES 30 (section 10, axe 2) de l'appel à projet ANR. Il porte sur les questions générales de l'existence, de l'extension, et de l'intrication quantique du nuage Kondo. Son impact ira au-delà du domaine spécifique des boites quantiques, puisque l'effet Kondo joue également un rôle majeur dans le domaine des fermions fortement corrélés.

La théorie de l'électrodynamique quantique (QED) prédit que l'indice de réfraction du vide est modifié lorsque le vide est soumis à des champs électromagnétiques intenses. Le vide serait un milieu optique non linéaire, comme tout autre milieu standard. Cet effet n'a jamais été observé expérimentalement. Le test le plus sensible aujourd'hui est la recherche de la biréfringence du vide. La meilleure sensibilité, obtenue après environ 100 jours de données, est un ordre de grandeur supérieure à la prédiction QED. L'objectif du projet DeLLight (Deflection of Light by Light) est d'observer, non pas une biréfringence, mais un changement global de l'indice de réfraction du vide en utilisant des impulsions laser ultra-courtes et ultra-intenses, délivrées par l’installation LASERIX au Laboratoire de l’Accélérateur Linéaire (LAL). L'idée originale est de mesurer la réfraction (effet cohérent à l'échelle macroscopique) d'une impulsion laser sonde traversant un gradient transverse de l’indice du vide. Ce dernier est produit par l'interaction de deux impulsions intenses contre-propageantes, utilisées comme impulsions pompes. La réfraction de l'impulsion sonde est détectée grâce à un interféromètre de Sagnac, en mesurant en sortie sombre de l'interféromètre le décalage transverse du profil d'intensité grâce à une caméra CCD. Pour atteindre une sensibilité élevée, il faut une forte focalisation des faisceaux pompes, une forte extinction d’intensité dans la sortie sombre de l'interféromètre, et une grande résolution spatiale pour la mesure de position du profil d'intensité sur le CCD. Avec des spécifications exigeantes mais réalistes, à savoir un facteur d'extinction F=10^(-5) (valeur obtenue avec le prototype actuel) une résolution spatiale de 10nm (30 nm mesuré avec le prototype actuel) et une taille de faisceaux à la focalisation w0=5micron, les simulations numériques montrent que le signal QED attendu peut être observé à 3 sigma de niveau de confiance après 3 jours de données. Inversement, en supposant les spécifications déjà atteintes avec notre premier prototype et une valeur très conservatrice de taille de faisceaux au foyer (w0=20micron), la sensibilité attendue est identique à la meilleure sensibilité actuelle des expériences de biréfringence. Nous soulignons que la recherche d'un changement global de l'indice de vide n'a été réalisé qu'une seule fois par R.V. Jones en 1960, avec une sensibilité d’environ 10 ordres de grandeur moins bonne que la prédiction théorique. Le projet DeLLight offre donc une amélioration notable de la sensibilité de mesure avec un réel potentiel de découverte, et des résultats qui pourront être publiés dans des revues scientifiques à fort impact. Nous proposons un programme de 3 ans. La première étape du programme consiste à compléter le prototype DeLLight (en cours de développement) selon les spécifications du projet. L’objectif de ce prototype (démonstrateur) est de valider la méthode expérimentale et la sensibilité de l’expérience DeLLight en mesurant le gradient d'indice produit dans un gaz à basse pression (effet Kerr non-linéaire) avec des impulsions femtosecondes mJ sous le seuil plasma. Le contrôle automatique de l'alignement optique sera développé et validé avec ce prototype. La deuxième étape consiste à focaliser deux impulsions intenses contre-propageantes (1,25 J par impulsion, 30 fs) avec un recouvrement stable au foyer, puis d’installer l'interféromètre Sagnac de plus grande dimension dans la zone d'interaction. Une fois ces deux étapes de travail terminées, les mesures DeLLight de variation d’indice du vide débuteront. Deux phases de prise de données sont prévues selon des spécifications expérimentales différentes (taille de focalisation et niveau de vide). Les moyens demandés sont pour deux tiers de l'équipement, et pour un tiers le financement d'une thèse.

Les poussières cométaires ne peuvent être récoltées que dans les régions terrestres les plus propres, la stratosphère et l'Antarctique. Nous collectons des particules de grande taille (> 50-100 µm) d'origine cométaire très probable dans les neiges proches de la station franco-Italienne Concordia. Ces micrométéorites ultracarbonées (UCAMMs) sont constituées d'une fraction dominante de matière organique (MO) macromoléculaire, intimement mélangée avec une composante minérale mineure. La MO est structurellement désordonnée, avec de larges enrichissements en deuterium et une concentration globale anormalement élevée en azote (jusqu'à 20% at.). Plusieurs types de MO de teneurs en azote différentes coexistent en fait dans les UCAMM, et contiennent des proportions minérales variées. Les minéraux inclus dans la MO ont des tailles typiques autour de 50-100 nm, et sont cristallins ou amorphes, avec une large gamme de compositions. Certains précurseurs de la MO (en particulier la plus riche en N) pourraient avoir été formés par irradiation de glaces riches en azote par le rayonnement cosmique galactique à la surface de petits corps glacés des régions externes du disque protoplanétaire. Les UCAMMs sont exceptionnelles car leurs composants ont préservé l’enregistrement des premiers stades de la formation et de l'évolution du système solaire. L'association de minéraux (formés à haute température) inter-mélangés à de grandes quantités de MO (nécessairement formée à plus basse température) ouvre une nouvelle fenêtre sur l’origine et les mécanismes de formation de la matière provenant des régions externes du système solaire. Nous proposons d’étudier ces mécanismes en suivant les trois questions suivantes : 1. Quelle est l'origine des composants de la matière cométaire? "Système solaire interne et externe ..." 2. Quelles sont les variations de composition de la MO et des minéraux avec la distance héliocentrique? 3. Comment les différents environnements rencontrés (milieu interplanétaire radiatif, atmosphère terrestre, Antarctique) ont-ils modifié les UCAMMs? Ce projet suivra un protocole innovant pour caractériser à la fois la matière organique, les minéraux et leur association au sein UCAMMs, à l’aide de techniques d’analyses de pointe. Des simulations expérimentales de leur évolution depuis l'espace interplanétaire jusqu’à leur collection en Antarctique seront réalisées sur des analogues organiques cométaires, et sur des UCAMMs synthétiques produites en laboratoire. L'originalité de la proposition COMETOR réside en quatre points: (i) la disponibilité d'échantillons cométaires bien préservés; ii) l'analyse de ces particules complexes avec une combinaison de techniques complémentaires de pointe - y compris la spectroscopie infrarouge (IR) couplée à la microscopie à force atomique (AFMIR) qui permettra l'analyse IR à l'échelle de ~ 50-100 nm; iii) la production d'analogues de solides cométaires et l'observation en temps réel de leur évolution sous irradiation grâce à la plateforme unique JANNuS, couplant un microscope électronique à transmission avec deux accélérateurs d'ions; iv) la recherche de composés organiques solubles (y compris les acides aminés) dans les UCAMMs avec la technique de spectrométrie de masse à très haute résolution Orbitrap, pour sonder l'importance de la poussière cométaire pour l'apport de molécules prébiotiques sur la Terre primitive. Les résultats attendus auront des implications dans les domaines de l'astrophysique, de la planétologie-cosmochimie et de l'astrobiologie. Ils apporteront une contribution originale à la compréhension de la formation et de l'évolution de la matière solide des régions externes du disque protoplanétaire. Ils seront cruciaux pour l’interprétation des données de missions spatiales comme Rosetta et Stardust, pour les missions de retour d’échantillons Hayabusa 2 et OSIRIS-REx, ainsi que pour les futures observations de disques protoplanétaires par le télescope spatial James Webb (JWST).

MECCOM est un projet de recherche fondamentale portant sur la formation des nuages de dioxyde de carbone (CO2) de la planète Mars, dont l’objectif est d’entreprendre les premières modélisations de ces nuages exotiques à toutes les échelles (de l’échelle microphysique à l’échelle globale). Ces nuages se forment à partir du composant majoritaire de l’atmosphère martienne, dans la troposphère aux pôles en hiver et dans la mésosphère aux latitudes tropicales. Après celle de la Terre, l’atmosphère martienne est la plus observée de notre Système solaire ; ces nuages n’ont néanmoins été identifiés qu’au début du 21ème siècle. Leur formation ainsi avérée recèle cependant de grandes inconnues quant aux processus qui la déterminent aux différentes échelles. L’impact de ces nuages dans le cycle global du CO2 n’a toujours pas été quantifié, et leur dynamique complexe dans la nuit polaire, et dans la mésosphère, appelle à être élucidée. Par ailleurs nous sommes toujours à la recherche de la clé du problème lié à leur formation dans la mésosphère : les noyaux de glaciation disponibles au-dessus de 40 km. La formation des nuages à partir d’une vapeur quasi-pure nous a conduits à réévaluer les théories de microphysique utilisées, en particulier pour la condensation et la sublimation. L’équipe MECCOM est impliquée dans les études observationnelles et de modélisation des nuages de CO2 depuis leur découverte, et ses membres sont des leaders internationaux sur le sujet. Aujourd’hui, l’équipe dispose de toute une gamme de modèles, développés par eux ou dans le cadre de collaborations privilégiées, allant de l’échelle microphysique détaillée à une dimension verticale à l’échelle tridimensionnelle planétaire, en passant par l’échelle régionale, et capables de modéliser la météorologie et le climat martiens en prenant en compte la microphysique des nuages de CO2. Avec ce projet MECCOM, nous proposons d’entreprendre la modélisation numérique des nuages de CO2 martiens aux différentes échelles pour répondre aux grandes inconnues quant à leur rôle dans le climat de la planète. Ce point est essentiel pour accéder à une compréhension exhaustive du cycle du CO2 actuel qui est l’un des cycles majeurs de l’environnement martien, ainsi qu’au rôle des nuages dans un climat passé plus clément, où l’eau liquide aurait coulé en surface. L’apport constant de nouvelles observations de l’atmosphère martienne et le développement de modèles à haute résolution nous permettent enfin de commencer à étudier des phénomènes à l’échelle régionale, qui doivent jouer un rôle important dans la dynamique globale de l’atmosphère. Les nuages de CO2 aux pôles sont un exemple de tels enjeux : leur formation induit probablement de la dynamique similaire à la convection humide sur Terre, qui impacte le vortex polaire et dès lors la dynamique atmosphérique de grande échelle. Les nuages mésosphériques quant à eux semblent résulter d’une interaction des ondes atmosphériques de moyenne échelle et d’échelle planétaire ainsi que de la disponibilité de noyaux de glaciation fournis par des ions mésosphériques hydratés, issus de l’activité météoritique (hypothèse récente). Notre étude est également alimentée par une approche de planétologie comparée : convection (« humide ») pilotée par la chaleur latente, ondes orographiques et nuages mésosphériques sont tous des phénomènes rencontrés sur Terre. Le projet MECCOM permettra à la responsable scientifique de construire et de consolider une équipe basée au LATMOS. Celle-ci sera soutenue par un réseau national et international de collaborations privilégiées, avec une forte expertise, dans lequel elle évoluera et que le projet renforcera encore davantage. MECCOM utilisera et promouvra les ressources françaises de calcul intensif et les données des missions spatiales européennes.

L'ère du Mésozoïque (-250 Ma à -66 Ma) enregistre certains des plus hauts niveaux de CO2 atmosphérique de l'histoire de la Terre. L'absence d'estimations robustes des rapports isotopiques de l'oxygène de l'eau de mer (d18OSW) pour cet intervalle, cependant, limite fortement les reconstructions du climat mésozoïque et donc notre compréhension de la sensibilité climatique passée aux variations des concentrations de CO2. Le but de ce projet est de fournir les premières estimations fiables du d18OSW au Mésozoïque en utilisant trois approches complémentaires, afin de tester les hypothèses suivantes: 1) le Mésozoïque avait des valeurs de d18OSW « faibles », ce qui implique que son climat n'était pas particulièrement chaud et que d'autres facteurs que le CO2 contrôlent le climat terrestre à l'échelle géologique; 2) le Mésozoïque avait des valeurs de d18OSW « élevées », ce qui implique des conditions très chaudes et une sensibilité climatique plus élevée que couramment admise; 3) les valeurs du d18OSW ont changé rapidement et globalement pendant cet intervalle, de concert avec les changements du niveau de la mer à la suite des cycles greenhouse-icehouse. Nous proposons trois axes complémentaires pour tester ces hypothèses: 1) nous comparerons les valeurs de d18O de brachiopodes avec les températures obtenues par différents paléothermomètres (rapport Mg/Ca ratios; delta47 sur certains spécimens) sur les mêmes échantillons afin de reconstituer les valeurs de d18OSW au cours du Mésozoïque. Les fossiles seront principalement échantillonnés à partir de collections académiques et complétés par des travaux de terrain pour trois intervalles de temps clés. 2) les valeurs de d18OSW seront retracées à partir des restes squelettiques d'endothermes marins, qui incorporent l’18O et l’16O principalement en fonction du d18OSW. La variabilité intra-squelettique du d18O sera d'abord cartographiée chez des endothermes marins modernes (cétacés) et mésozoïques (ichtyosaures et plesiosaures) afin d'identifier les éléments squelettiques moins affectés par l'hétérothermie régionale et donc capable de suivre plus fidèlement les changements de d18OSW. Des mesures systématiques du d18O des éléments sélectionnés d'âge et de paleolatitudes différentes seront ensuite effectuées en utilisant les collections de musées et des travaux de terrain. 3) les valeurs du d18OSW au Mésozoïque seront simulées à l'aide de bases de données du d18OSW des océans modernes et de modèles de circulation générale (GCM). Ces simulations seront utilisées pour étudier l'impact de la paléogéographie sur les valeurs du d18OSW pour quatre intervalles clés, et notamment pour examiner de façon critique l'hypothèse selon laquelle des forts apports d'eaux douces dans les mers peu profondes mesozoïques, qui constituent l'environnement de dépôt de la majeure partie des strates mésozoïques actuellement disponibles pour les mesures du d18O squelettique, ont pu produire des valeurs très faibles du d18OSW, conduisant à une forte surestimation des paléotempératures. Les résultats seront intégrés pour estimer les changements spatiaux et temporels du d18OSW mésozoïque à court et à long terme, et ainsi examiner de manière critique les trois hypothèses clés susmentionnées. Les résultats attendus de ce projet permettront d’éclairer d’une lumière ancienne la sensibilité climatique terrestre, avec des implications évidentes mais fondamentales pour les politiques environnementales et économiques mondiales.

Le rôle des retenues d’eau (collinaires, bassins d’orage, zones humides artificielles) dans le transfert de pesticides au sein des bassins versants agricoles reste largement méconnu, la majorité des processus impliqués dans la dissipation des pesticides n'ayant pas encore été élucidée. Ceci explique que cet aménagement du paysage soit sous-utilisé dans les stratégies de reconquête de la qualité de l’eau. En développant sur 3 sites expérimentaux, une approche hydro-biogéochimique de pointe combinée à une modélisation intégrative à différentes échelles, PESTIPOND vise à proposer de nouvelles lois, concepts et outils permettant de prédire l'impact cumulé de ces retenues dans la dissipation des pesticides au sein des agrosystèmes. PESTIPOND est un projet de recherche collaboratif innovant de 48 mois associant 4 partenaires issus de 4 unités de recherche et 15 partenaires socio-économiques ayant des domaines d'expertise complémentaires. Le concept innovant de PESTIPOND est de caractériser, quantifier et conceptualiser les processus de transformation in situ des pesticides dans les retenues d’eau pour développer des outils prédictifs de l’impact cumulatif de ces retenues à différents niveaux d’organisation du paysage. Ces outils génériques pourront s'appliquer à tout agrosystème sur lequel une gestion agroécologique à l'échelle du bassin versant est recherchée par les agences environnementales, les coopératives locales ou les bureaux de conseil en ingénierie. PESTIPOND ciblera les processus contrôlant les capacités des retenues à dégrader les pesticides et contribuant ainsi à une réduction des masses transférées vers les hydrosystèmes à l’aval. PESTIPOND est structuré en 3 tâches expérimentales interconnectées visant la caractérisation de la biogéochimie des pesticides dans les retenues d’eau et la prédiction de l’impact de ces retenues au sein d’agrosystèmes. Grâce à l'identification des paramètres clés de la dissipation des pesticides dans les retenues soumises aux cycles hydrologiques et biogéochimiques, mais aussi en permettant l’optimisation des services écosystémiques de dissipation de ces retenues pour une application ultérieure par les acteurs territoriaux, PESTIPOND s'inscrit dans le thème transversal B11-Axe 5 et Défi 1 (Axe B1-1), car il peut générer à la fois de nouvelles connaissances et un savoir-faire technologique indispensable pour comprendre et gérer la capacité de résilience des écosystèmes aquatiques face aux intrants anthropiques. Les partenaires du projet ont un accès privilégié aux sites expérimentaux, implantés dans les bassins versants OZCAR et RZA dans 3 régions françaises aux contextes agro-climatiques contrastés, et d'excellentes plateformes analytiques et numériques. Une expertise solide et complémentaire du consortium couvrant tous les aspects du projet proposé limite les obstacles potentiels au succès du projet. La faisabilité du développement analytique associé aux processus in situ de transformation des pesticides a ainsi été validée dans des études préliminaires. De même le consortium a déjà proposé des approches prédictives en liant les différentes échelles de bassins versants. Une évaluation approfondie des risques a été effectuée sur toutes les étapes du projet, et des solutions alternatives expérimentales ou de modélisation ont été identifiées et décrites. PESTIPOND aura un impact scientifique majeur, en apportant de nouveaux concepts et outils pour diagnostiquer et prédire le fonctionnement hydrobiogéochimique de ces retenues d’eau vis-à-vis des pesticides, transposables à d’autres contextes agro-écologiques. Les retombées technologiques seront également significatives en favorisant l’émergence d’approches optimisant les services écosystémiques de ces retenues, économiquement efficaces et socialement acceptables. D'un point de vue socio-économique, PESTIPOND facilitera l'émergence de scénarios de gestion territoriale des agrosystèmes, grâce à l'implication des 15 partenaires socio-économiques.

Les mycotoxines sont des contaminants fréquents des céréales, présents dans plus de 25% des échantillons dans le monde. Ils présentent des risques potentiels pour la santé de l’homme et des animaux. Chez l’homme, des doses faibles à modérées peuvent induire un retard de croissance, un dysfonctionnement immunitaire et contribuer à l’apparition de cancers. Chez les animaux, elles entraînent souvent une baisse des performances En Europe, les conditions climatiques favorisent la contamination par les champignons du genre Fusarium dont les principales toxines le déoxynivalénol (DON), les fumonisines (FB) et la zéaralénone (ZEN) sont réglementées dans les aliments pour l’homme et les animaux. Cependant, les Fusarium produisent d'autres toxines comme la beauvericine, les enniatines, l’apicidine et l’aurofusarin, moins bien décrites et appelées mycotoxines émergentes. Les données d'occurrence de ces toxines sont encore limitées. Elles ne sont pas dosées en routine, ni règlementées mais des résultats préliminaires suggèrent qu’elles ont une prévalence élevée. In vitro, la beauvericine et l’enniatine sont cytotoxiques, induisent du stress oxydant et l'apoptose et in vivo, il existe peu de données d’exposition chronique. L'aurofusarine et l'apicidine ont été très peu étudiées ; moins de 30 publications décrivent leurs effets toxiques. L'intestin est la première barrière contre les contaminants alimentaires ingérés. DON, FB et ZEN altèrent la prolifération et la différenciation des cellules intestinales, l'absorption des nutriments et la fonction de barrière. Les mycotoxines, comme les antibiotiques, sont aussi des métabolites secondaires des champignons. Bien que les effets de ces derniers sur le microbiome intestinal soient bien décrits, les connaissances sur l'impact des toxines de Fusarium sur le microbiote intestinal sont limitées et celui des mycotoxines émergentes totalement inconnu. Ce projet vise à combler les lacunes dans la connaissance des mycotoxines émergentes en étudiant à la fois leur prévalence et leur toxicité. Il propose (i) de réaliser une enquête à grande échelle sur la présence des mycotoxines émergentes dans les céréales françaises et de déterminer la relation entre leur concentration et les pratiques agricoles et (ii) d'évaluer leur impact seules ou combinaison avec les mycotoxines règlementées, chez l’homme et le porc. Nous étudierons notamment leur impact sur les fonctions intestinales (barrière, absorption des nutriments, immunité) et utiliserons en parallèle des modèles in vitro, ex vivo et in vivo. Des approches « omiques » (transcriptomique, protéomique et métabolomique) permettront d'obtenir une vision globale des effets toxiques observés chez des porcs exposés aux mycotoxines émergentes. Des échantillons de contenu intestinal et fécal permettront d’évaluer par séquençage du gène 16S et métatranscriptomique les effets des mycotoxines émergentes sur le microbiote intestinal. Les formes modifiées des mycotoxines émergentes produites par métabolisation seront identifiées par spectrométrie de masse. Ces études sur les animaux viseront également à établir, une dose quotidienne tolérable (TDI) À notre connaissance, ce projet qui compare les effets sur la santé chez l’homme et le porc dans une approche intégrée « One Health », est unique dans sa stratégie. La complémentarité des approches (depuis l'étude de terrain jusqu’aux méthodes « omiques ») permettra de réaliser une étude globale sur l'occurrence et la toxicité de 4 mycotoxines émergentes sélectionnées. Ce projet innovant repose sur la participation de 6 partenaires ayant des expertises complémentaires, depuis l'agronomie à la toxicologie et s’appuiera sur les relations déjà bien établies entre eux.

Le transfert horizontal de gènes (THG) contribue de façon importante à l’évolution des espèces bactériennes. L’acquisition de certains gènes permet l’adaptation des bactéries en autorisant par exemple l’utilisation de nouveaux substrats ou la survie dans des environnements autrement considérés comme toxiques. L’analyse des séquences et des fonctions portées par de nombreux génomes a également révélé qu’un nombre important de gènes augmentant la virulence de pathogènes humains majeurs ont été acquis par THG. De plus, de nombreuses « super-bactéries » multi-résistantes ont émergées au cours des dernières années via la nouvelle acquisition de gènes de résistance aux antibiotiques. Staphylococcus aureus est un exemple emblématique des ravages causés par ces organismes multi-résistants associés à de sérieuses épidémies en milieu hospitalier mais également au sein de communautés d’individus sains. La transformation génétique bactérienne est l’un des trois mécanismes principaux permettant le THG, avec la conjugaison et la transduction. La transformation génétique est définie comme la capacité à capturer de l’ADN exogène, à le transporter à travers l’enveloppe et à l’intégrer dans le chromosome par recombinaison homologue. A l’inverse des deux autres mécanismes, la transformation génétique est entièrement contrôlée par la cellule receveuse et les protéines essentielles à ces fonctions sont encodées par le chromosome. L’induction de l’expression des gènes essentiels à la transformation est induite lorsque les bactéries basculent dans un état physiologique différencié appelé compétence naturelle. Le nombre d’espèces connues pour être naturellement transformables a doublé au cours des vingt dernières années et de nouvelles bactéries disposant de telles aptitudes sont souvent décrites, l’une des dernières en date étant S. aureus. Ce projet visera à caractériser compétence et transformation chez un nouvel organisme modèle, la bactérie pathogène S. aureus. Nous chercherons plus particulièrement à atteindre 5 principaux objectifs: i) identifier les signaux environnementaux conduisant au développement de la compétence, ii) déchiffrer les cascades transcriptionnelles transmettant ce signal jusqu’à l’activation de la transformation naturelle, iii) caractériser les acteurs et étapes impliqués dans la fixation, l’import et la recombinaison d’ADN exogène lors de la transformation, iv) définir les singularités qui font de la compétence et la transformation des processus uniques chez S. aureus, v) évaluer quand, où et comment la transformation naturelle participe à la plasticité génétique de S. aureus. Ce projet pluridisciplinaire (profilage transcriptionnel, microscopie, cribles génétiques) reposera à la fois sur des approches orientées par des hypothèses mais également des méthodes non biaisées, à haut débit. Nos hypothèses s’appuient à la fois sur des acteurs, présents chez d’autres bactéries naturellement transformables et conservés chez S. aureus, mais également sur de nombreux résultats préliminaires. L’analyse du profil transcriptionnel de gènes conservés important pour la régulation de la compétence ainsi que la localisation d’acteurs conservés essentiels à la transformation nous permettra d’établir des références temporelles et spatiales nécessaires pour l’étude de ces processus chez S. aureus. En parallèle, nous utiliserons les méthodes de « Transposon-sequencing » et « double-hybride dans la levure » pour identifier de nouveaux acteurs qui viendront améliorer notre compréhension des mécanismes cités ci-dessus. Finalement, les connaissances accumulées devraient nous permettre de comprendre comment S. aureus est devenu un pathogène humain majeur. De plus, l’optimisation de la transformation naturelle chez S. aureus nous permettra de simplifier la manipulation génétique de ce pathogène humain alors que son inhibition nous autorisera à proposer des stratégies pour lutter contre le transfert de résistance aux antibiotiques.

La persistance bactérienne est un état dans lequel les bactéries ne se divisent plus, tout en restant capables de reprendre une croissance ultérieure. Dans cet état, elles tolèrent les traitements antibiotiques, et pullulent dès qu’il cesse. On suspecte la persistance d’être responsable de cas d’infections chroniques et d’échecs de traitements. Plusieurs signaux environnementaux stressants induisent l’entrée en persistance par des voies encore peu connues, et on ignore comment l’ADN génomique est maintenu intact dans cet état physiologique. Enfin, les prophages, qui sont des virus bactériens intégrés au génome de leur hôte à l’état dormant, pourraient contribuer positivement ou négativement à l’état persistant, mais très peu de choses sont connues à ce sujet. Nos travaux sur la souche d’Escherichia coli LF82, porteuse de 5 prophages, montrent que lors de l’infection de macrophages, 10-20% des bactéries entrent dans l’état persistant. De plus, l’ADN bactérien est probablement endommagé, car divers gènes de la réponse aux dommages d’ADN sont induits. Enfin, des gènes de réparation de l’ADN codés par un des prophages sont transcrits, qui pourraient fournir une voie de réparation par jonction d’extrêmités (NHEJ). Persist3Rs a pour objectif d’appréhender comment l’intégrité du génome bactérien est maintenue lors de la persistance d’Escherichia coli. Pour ce faire, nous ferons d’abord porter l’effort sur la méthode de séparation des sous-populations persistantes. En effet, il se pourrait que diverses voies d’entrée en persistance cohabitent dans une population, si bien qu’au moment d’analyser l’ensemble des bactéries persistantes, divers signaux se confondent. Pour faciliter cette analyse, des traitements connus pour enrichir la fraction de bactéries persistantes – et pertinents d’un point de vue clinique – seront appliqués : incubation avec de faibles doses d’antibiotiques et survie en macrophages. Enfin, l’espèce E. coli étant diversifiée, deux souches seront analysées, une commensale qui n’héberge aucun prophage, MG1655, l’autre pathogène qui en héberge cinq, la souche adhésive invasive (AIEC) LF82. Le projet est structuré autour de trois axes. (1) Dans le but de séparer les diverses populations de bactéries persistantes, des souches contenant une série de fusions transcriptionnelles fluorescentes à des promoteurs induits à différents stades de croissance, ou suite à différents stress, seront construites. Le taux de persistantes, parmi ces sous-populations où un promoteur donné est induit, sera mesuré par tri cellulaire. (2) Puis le transcriptome de chaque sous-population sera déterminé. Nous voulons également repérer les messagers activement transcrits (par Nascent RNA-seq), et ceux activement traduits (par Ribo-seq). Ceci permettra d’accéder aux fonctions clés nécessaires à la survie des persistantes. (3) Enfin, une combinaison d’approches en cellule unique, de génétique, et de biochimie permettra d’appréhender comment l’ADN est lésé, et éventuellement réparé ou muté, et quelles fonctions codées par les prophages contribuent à la réparation de l’ADN. Au terme du projet, nous serons en mesure de décrire s’il existe une ou plusieurs voies d’entrée en persistance chez E. coli, et de quantifier l’abondance de bactéries persistantes selon le stress appliqué. La comparaison de deux souches distinctes nous permettra de généraliser ou non les observations. De plus, l’état de l’ADN au sein de ces bactéries, et leur besoin spécifique en fonctions de réparation sera appréhendé. Enfin, nous nous attendons à découvrir une interaction insoupçonnée entre la bactérie et ses prophages au cours de l’état persistant, ces derniers apportant des fonctions novatrices permettant de réparer l’ADN en absence de chromatide sœur. Ce coup de projecteur sur une face cachée de la persistance pourra déboucher à long terme sur de nouvelles stratégies de lutte contre les infections récalcitrantes.

La résistance multiple aux antibiotiques (RMA) des pathogenes bactériens, représente une menace de plus en plus grave pour la santé publique. En septembre 2016, les leaders mondiaux ont notifié un niveau d'attention sans précédent pour freiner l'émergence et la propagation des RMA et se sont engagés à adopter une approche globale et coordonnée pour s'attaquer aux causes profondes des RMA. Ce problème complexe nécessite des actions dans tous les secteurs gouvernementaux et dans la société, telles que la recherche de nouvelles molécules antimicrobiennes, le développement de technologies pour les vaccins ou le diagnostic, l’incitation à de meilleures pratiques en matière d'utilisation des antibiotiques chez l'homme et les animaux, ainsi que la recherche visant à comprendre les mécanismes par lesquels les RMA se propagent dans les populations bactériennes. Cette dernière approche est au cœur du présent projet collaboratif de recherche fondamentale. La RMA résulte souvent de l'acquisition de gènes de résistance, principalement par conjugaison, qui est le mécanisme majeur du transfert horizontal de gènes (HGT) entre souches bactériennes à la fois intra- et inter-espèces. Lors de la conjugaison, les molécules d'ADN (généralement des plasmides) sont transférées d'une cellule donneuse vers une cellule receveuse. Si l'ADN acquis est maintenu, la cellule receveuse obtient de nouveaux caractères génétiques et est par conséquent définitivement convertie en une nouvelle donneuse, qui contribue à son tour à la propagation exponentielle des RMA. Jusqu'à présent, le processus de conjugaison a surtout été caractérisé par des techniques classiques de génétique ou de biochimie, et les stratégies de maintenance n'ont pas suscité l’attention qu’elles méritent. De plus, le développement de plasmides mutants présentant des taux de transfert accrus, appelés "super-propagateurs", a été négligé dans le phénomène d'émergence des bactéries multi-résistantes. Ici, nous proposons une étude approfondie innovante et ambitieuse de la conjugaison bactérienne aux échelles moléculaires et cellulaires. Nous développerons des approches modernes pour analyser trois différents plasmides conjugatifs afin de mieux comprendre le processus: pESBL, associé à une épidémie grave de Escherichia coli multi-résistante; R388, qui contribue de manière significative à la propagation des RMA avec un très large spectre d'hôtes; et le facteur sexuel F de E. coli, paradigme des plasmides conjugatifs. La stratégie expérimentale proposée repose sur la forte complémentarité des expertises de chaque partenaire du consortium: Yoshiharu YAMAICHI (CR-CNRS) à l'I2BC, CNRS Gif-sur-Yvette, Christian LESTERLIN (CR-INSERM) au MMSB, CNRS / Univ . Lyon, et Jean-Yves BOUET (DR2-CNRS) au LMGM, CNRS / Univ. Toulouse. Nous avons défini deux axes majeurs: [1] la dissection des mécanismes moléculaires impliqués dans la dissémination des plasmides conjugatifs. [2] l’étude de la dynamique spatio-temporelle des plasmides conjugatifs à l'échelle cellulaire. Nos résultats préliminaires clés comprennent un système novateur de microfluidique permettant de suivre les événements de transfert d'ADN et le devenir des cellules donneuses et receveuses. En plus de fournir un concept original à ce programme, l'isolement de mutations conduisant à la génération de plasmides super-propagateurs représente un outil totalement nouveau pour l'étude de la conjugaison. En combinant des données préliminaires prometteuses avec des approches modernes, multidisciplinaires et complémentaires, comprenant la génétique moléculaire des bactéries, la biochimie des protéines et la biologie cellulaire de pointe, le projet plasMED devrait fournir une compréhension intégrée du transfert de gènes chez les bactéries au niveau moléculaire et cellulaire. Ce travail de recherche fondamentale est indispensable parmi d'autres actions visant à freiner l'émergence de bactéries multi-résistantes dans des environnements naturels et cliniques.

La maladie de Parkinson (MP) est la maladie neurodégénérative la plus fréquente après la maladie d’Alzheimer. Elle est plus environ 1,5 fois plus fréquente chez les hommes que chez les femmes, qui sont exposées aux estrogènes de la puberté à la ménopause et éventuellement après en raison de l’utilisation du traitement hormonal substitutif de la ménopause (THM) et des estrogènes endogènes synthétisés à partir du tissu adipeux. Ces observations, couplées aux résultats des études expérimentales, ont conduit à l’hypothèse du rôle protecteur des estrogènes sur la MP. Néanmoins, peu d’études de cohorte, en particulier en Europe, ont inclus suffisamment de cas chez des femmes pour étudier cette question avec des données prospectives, des événements validés, et une puissance adéquate et leurs résultats demeurent incertains. L’Etude Epidémiologique de l’Education Nationale (E3N) a inclus 98 995 femmes affiliées à la MGEN (Mutuelle générale de l'Éducation nationale) suivies depuis plus de 25 ans et offre l’opportunité d’étudier les facteurs de risque/protecteurs évalués en milieu de vie chez des femmes. Notre objectif est d’étudier le lien entre la MP et l’exposition vie entière aux hormones sexuelles, incluant les estrogènes endogènes à partir des caractéristiques de la vie reproductive et les hormones exogènes. Les cas de MP seront validés en 3 étapes à partir de dossiers médicaux validés par un comité d’experts. Les cas potentiels seront auto-rapportés par les femmes au cours du suivi et/ou identifiés par la consommation de médicaments antiparkinsoniens dans les bases de remboursement de la MGEN. Nous contacterons ensuite les neurologues, généralistes ou hôpitaux pour obtenir des informations complémentaires sur le diagnostic, les symptômes, l’âge de début et les traitements. Enfin, un comité d’experts statuera sur la nature de l’événement. Pour les femmes pour lesquelles aucune documentation ne sera disponible, nous identifierons les cas de MP par un algorithme validé présentant une bonne sensibilité et spécificité. Au jour d’aujourd’hui, nous avons identifié 929 cas incidents jusqu’en 2014 et poursuivrons l’identification et la validation des cas à l’aide de données actualisées. L’exposition hormonale sera définie comme i) l’exposition endogène aux estrogènes : âge des premières règles, nombre et l’âge des grossesses, durée d’allaitement, âge et nature de la ménopause, durée de la vie reproductive ; ii) l’exposition aux hormones exogènes : contraception hormonale et THM, en tenant compte des molécules, des doses, de la voie d’administration et de la durée d’utilisation. Nous tiendrons compte de l’adiposité à travers l’indice de masse corporelle mis à jour à chaque questionnaire et évaluerons l’impact de l’âge, du tabac et du café. Les analyses statistiques reposeront sur des modèles de Cox et des modèles joints avec des variables dépendantes du temps et l’analyse des trajectoires d’exposition. Nous étudierons également le risque de décès lié à la MP et l’impact des caractéristiques hormonales. Pour étudier la causalité des associations, nous utiliserons les données du consortium COURAGE-PD pour conduire des analyses par randomisation mendélienne. Nous identifierons des polymorphismes associés aux phénotypes d’intérêt (âge de la puberté, âge de la ménopause, niveau plasmatique des estrogènes) et étudierons leur association avec la MP. Les forces du projet sont le caractère prospectif des données et la longue durée de suivi permettant de limiter les biais de causalité inverse et de détection, la validation des cas pour contrôler les erreurs de classement et une bonne puissance statistique pour détecter des associations, même faibles. De plus, l’approche par randomisation mendélienne permettra d’étudier la causalité des associations. Ce projet, qui représente la plus grande étude de cohorte sur la MP chez les femmes, aidera à mieux comprendre l’étiologie de la MP et à identifier des sous-groupes à risque afin d’orienter la prévention.

Le sens du goût permet de distinguer les composés chimiques et les sensations qu’ils produisent lors de leur contact avec des chémorécepteurs. Il permet aux animaux et aux êtres humains de discriminer les produits comestibles des non-comestibles et s’avère donc crucial pour la survie des individus. La question du codage et de la neuromodulation des informations gustatives dans le système nerveux central est importante tant pour le domaine des neurosciences que pour la gestion de la prise alimentaire chez des espèces qui jouent un rôle majeur dans la production agricole et animale. C’est le cas de l’abeille, un insecte qui est un modèle établi dans le domaine des neurosciences et une espèce-clé pour la pollinisation des cultures. Chez l’abeille, le sens du goût reste en grande partie inexploré malgré l’existence d’études intensives sur ses autres modalités sensorielles (olfaction, vision). Ce déficit surprend compte tenu de l’extraordinaire impact du goût sur les activités de butinage de l’abeille, et donc sur sa survie, à une époque où les colonies subissent une mortalité massive en raison de l’impact humain sur les sources alimentaires naturelles de cet insecte. Chez les insectes, la détection périphérique goût survient dans les poils cuticulaires, les sensilles gustatives, qui sont pour la plupart situés sur les antennes, les pièces buccales et les tarses des pattes antérieures. Ces sensilles hébergent les neurones récepteurs gustatifs et, généralement un neurone mécanorécepteur. Des enregistrements électrophysiologiques ont montré que les neurones récepteurs gustatifs répondent avec une sensibilité variable aux sucres, aux sels et possiblement aux acides aminés, protéines et à l’eau. Jusqu’à maintenant les réponses aux substances amères sont restées peu claires ou inexistantes, bien que les effets inhibiteurs de ces substances sur les neurones répondant au saccharose aient été démontrés. Le séquençage du génome de l’abeille a révélé une diminution surprenante du répertoire des gènes récepteurs gustatifs comparé à la plupart des autres espèces d’insectes séquencées, qui possèdent plusieurs douzaines de ces gènes. Comment les sensations gustatives surgissent à partir d’un tel nombre réduit de canaux d’entrée gustative reste inconnu. Répondre à cette question demande une analyse approfondie du traitement central gustatif dans le cerveau de l’abeille. Dans le cadre du projet APITASTE, nous effectuerons cette analyse dans le but de découvrir les mécanismes centraux du traitement gustatif chez un insecte modèle, l’abeille domestique. À l’aide d’enregistrements d’activité neurale par imagerie calcique, nous caractériserons les cartes gustatives dans la région sous-œsophagique (SEZ), premier relai central du traitement gustatif dans le cerveau de l’insecte. Nous déterminerons si les cartes gustatives s’organisent selon la nature hédonique des goûts proposés. Nous couplerons les enregistrements in vivo de l’activité neurale dans le SEZ avec un protocole de conditionnement gustatif que nous avons récemment mis en place chez des abeilles immobilisées. Ceci nous permettra d’analyser si et comment les représentations neurales des goûts varient avec un apprentissage aversif et la formation des différentes phases de mémoire. Nous décrypterons les mécanismes neuromodulateurs centraux du goût en mettant l’accent sur les effets de facilitateurs ou inhibiteurs des amines biogènes et du neuropeptide sNPF, dont les récepteurs ont été caractérisés dans le génome de l’abeille. Ainsi, nous mettront à profit l’accessibilité du système nerveux de l’abeille aux enregistrements optophysiologiques et à d’autres procédures invasives, et les capacités remarquables d’apprentissage et de mémorisation de cet insecte, afin d’obtenir une vision intégrative sur comment le goût est codé dans des circuits nerveux simples, et comment ce codage est modifié par l’expérience.

Les Chevaux de Troie Matériels (CTM) sont des blocs malveillants insérés dans un système sur puce (SoC) par des tiers non dignes de confiance lors de la conception/fabrication des circuits intégrés (CI). Ils sont une menace réaliste pour la sécurité automobile et militaire. Les CTMs modifient le comportement des SoCs induisant un déni de service, une fiabilité réduite ou des fuites d'informations confidentielles. Ces attaques conduisent à une perte de plusieurs milliards de dollars par an pour l'industrie des semi-conducteurs. Des contre-mesures existent pour détecter ou prévenir les CTMs. Dix années de recherche ont montré que, vu la nature furtive de la menace et les différents types de CTMs, détecter est très difficile. Prévenir consiste à modifier le flot de conception pour y intégrer la sécurité. Malgré son coût important, c’est un moyen de lutte plus efficace. Ainsi, des méthodes de conception visant la confiance du matériel (Design-for-Hardware-Trust DfHT) ont vu le jour avec différents objectifs et impacts sur les performances. Le projet MOOSIC vise un cadre méthodologique dédié à la sécurité pouvant être intégré dans le flot de conception des CIs. L'objectif est de tenir compte, dès le début de la conception, à la fois des contre-mesures et des performances pour assurer que le SoC est fonctionnel malgré des vendeurs d’IP ou des fondeurs non fiables. Pour atteindre cet objectif le projet envisage d'établir et d'évaluer des propriétés de sécurité puis de les intégrer au flot de conception avec des techniques d'optimisation multi-objectifs. Ceci repose sur une modélisation mathématique du problème intégrant à la fois les performances et les effets des CTMs permettant ainsi de trouver un bon compromis entre le niveau de sécurité recherché et la performance. Ainsi le SoC permettra de lutter contre la cybercriminalité sans coût supplémentaire significatif. Cette méthodologie sera validée sur des cas d'utilisation industriels. Le projet sera mené par 2 laboratoires de recherche spécialisés en informatique et en conception de SoC (LIRMM et LIP6), un institut public (CEA) dédié aux recherches technologiques et la "société de sécurité" (Secure-IC). Il sera divisé en 4 lots scientifiques : 1. Évaluation de l'architecture en termes de sécurité et proposition de solutions matérielles pour l'améliorer (LIRMM) 2. Proposition d'une modélisation mathématique complète du problème (basée sur la théorie des graphes ou la programmation mathématique) qui supporte toutes les contraintes et objectifs (sécurité, surface, fréquence, consommation) ainsi que des stratégies de résolution optimales pour l'insertion automatique de contre-mesures (CEA) 3. Proposition d'une méthodologie intégrant le modèle et les solutions proposées (LIP6) 4. Validation sur des cas d'utilisation de l'industrie (Secure-IC) La cybersécurité est un enjeu majeur de la confiance en l'Internet des Objets. Sachant que d'ici 2020, il y aura plus de 25 milliards d'objets connectés dans le monde représentant un revenu de plus de 4 milliards de dollars, se rendre compte à l’utilisation qu'un objet connecté contient un CTM, entraînerait un coût énorme mais porterait également atteinte à la viabilité de secteurs d'activité entiers. Cette menace est due à une course au bas coût où les concepteurs ne contrôlent plus toutes les étapes du flot de conception/fabrication et s'appuient sur des tiers (éventuellement non fiables). Tenir compte du problème au début de la conception, et ainsi assurer une confiance dans le matériel, aura un impact économique significatif. Dans ce projet, nous proposons d’intégrer à la fois les aspects de sécurité et aussi les contraintes habituelles (délai, consommation) dès la conception, ce qui représente une grande avancée scientifique. Pour le moment, la sécurité est généralement traitée indépendamment des autres. Ceci est parfaitement relayé par le DEFI 9 «Liberté et sécurité de l'Europe, de ses citoyens et de ses résidents» du Plan d'Action ANR 2018.

OBIWAM est un Projet transverse de Recherche Collaborative-Entreprises (PRCE) qui regroupe 3 partenaires industriels et deux académiques qui est très volontairement axé sur les applications. Il a pour ambition de développer un système d’imagerie microonde active ultra rapide et haute résolution, pour des applications de sécurité (scanners corporels, vision à travers les murs, détection de cibles en environnement opaque, contrôle non destructif de bagages) en utilisant des fréquences microondes et des dispositifs photoniques et optoélectroniques. Le système proposé repose sur une nouvelle technique de mesure d’un signal unique, en réalisant un codage analogique des signaux reçus par un réseau d’antennes sur une seule voie de sortie. Cette technique est garante d’une architecture simplifiée, ne nécessitant qu’un seul convertisseur analogique numérique. Les signaux collectés à chaque antenne seront traités optiquement (gestion des retards) puis concentrés vers l’unique canal de sortie par le biais d’un sommateur optomicroonde, un des éléments clé du système. La conversion electro-optique sera réalisée grâce à des modulateurs intégrés sur Silicium, technologie photonique d’avenir permettant d’assurer la compacité et le faible coût du système. Grâce à un choix judicieux des retards optiques, les formes d'onde reçues par chaque antenne seront reconstruites en post-traitement en appliquant des algorithmes d’imagerie SIMO ou MIMO. Les partenaires ont fixé comme objectif de fournir en fin de projet un démonstrateur novateur optomicroonde d’acquisition mono-coup et mono-canal pour la détection de cibles en temps réel. Il aura pour but de montrer les potentialités offertes par une approche innovante basée sur des systèmes optomicroondes peu encombrants et d’extrapoler, par la simulation, l’étude à un système présentant une meilleure résolution d’image. C’est pourquoi OBIWAM a pour challenge également le développement d’une plateforme de simulation système incluant tant les modèles des composants que le traitement du signal.

Les systèmes en réseau dynamiques sont au cœur de nombre de technologies actuelles et émergentes. Qu’il s’agisse des réseaux d’énergie, des flottes de véhicules autonomes connectés ou des réseaux sociaux, dans tous les cas des unités dynamiques élémentaires interagissent localement afin d’accomplir une tâche globale. Lorsqu’un système en réseau est considéré dans sa globalité, il est fréquent d’être confronté à des processus évoluant en temps continu qui sont affectés, sporadiquement, par des changements soudains, appelés sauts, donnant ainsi lieu à des systèmes en réseau à dynamique hybride. Ces sauts peuvent être dus (i) aux dynamiques propres de chaque nœud, comme c’est le cas en transmission de contenu multimédia, (ii) aux stratégies de commande de ces nœuds, comme pour les convertisseurs de puissance au sein de réseaux d’énergie, ou (iii) à la création ou perte voire l’ajout ou suppression de nœuds, à l’instar des réseaux électriques d’énergie renouvelables et des réseaux sociaux. Les phénomènes hybrides jouent ici un rôle clef et requièrent le développement de nouveaux outils d’automatique adaptés pour la modélisation, l’analyse et la commande des systèmes en réseau en question. L’objectif du projet HANDY est de répondre à ce défi. Le projet rassemble des chercheurs de quatre unités (le LAAS à Toulouse, le CRAN à Nancy, le GIPSA-lab à Grenoble et le LSS à Gif-sur-Yvette), dont l’expertise couvre des domaines variés de l’automatique allant du contrôle géométrique, à l’optimisation, en passant par les systèmes commutés, les systèmes hybrides, la commande non-linéaire et les systèmes multi-agents. HANDY est donc un projet de recherche fondamentale qui est organisé selon trois axes. Le premier a pour but de développer la théorie nécessaire à la modélisation et l’analyse des systèmes hybrides interconnectés. Pour cela, les propriétés entrée-sortie des systèmes hybrides isolés seront étudiées, car celles-ci jouent un rôle fondamental dans les systèmes en réseau. Ensuite, l’interconnexion de systèmes hybrides sera traitée avec, pour idée sous-jacente, que lorsque des propriétés adaptées sont garanties pour chaque sous-système, la stabilité du système global doit s’en suivre sous des conditions sur le schéma d’interconnexion. Le second axe quant à lui se concentre sur les architectures dites multi-agents, en particulier sur l’interaction entre le graphe d’interconnexion et les dynamiques locales des nœuds. Plusieurs problèmes fondamentaux propres à ces systèmes seront étudiés comme le cas où le nombre de nœuds varie, ou, plus généralement, lorsque la topologie du graphe évolue dans le temps. Ce second axe s’intéressera également aux systèmes en réseau de grande taille dont les dynamiques continues évoluent selon plusieurs échelles de temps de par l’existence de communautés, ainsi qu’à la question de l’émergence de dynamiques collectives. Ces deux axes s’inspireront fortement de cas d’études provenant des réseaux d’énergie, de la coordination de véhicules autonomes connectés, de la transmission de contenu vidéo et des dynamiques d’opinion. En retour, les retombées théoriques seront confrontées et validées au regard de ces applications : tel est le sujet du troisième et dernier axe.

Le projet CORTEM s’intéresse au traitement controversé des morts jugés aujourd’hui socialement problématiques, au point de faire l’objet de controverses sur des scènes tant nationales qu’internationales : il peut s’agir des corps des victimes de crimes de masse ou de catastrophes naturelles, des migrants morts au cours de leur traversée, ou encore de condamnés à mort exécutés dans des conditions douteuses. Ces cadavres sont problématiques, parce qu’ils ne sont pris en charge par aucun Etat, mais qu’ils sont en revanche expertisés, interrogés et qualifiés par les représentants d’organisations supra-étatiques (ONGs, Tribunaux internationaux, agences dépendant des Nations Unies ou Eglises). C’est cette tension autour du traitement des restes humains problématiques que CORTEM propose d’étudier, en réunissant quatre recherches menées dans une perspective pluridisciplinaire (mêlant l’anthropologie, la sociologie et la science politique) et centrées sur des terrains internationaux : elles portent sur les corps des victimes de crimes de masse en Afrique de l’Ouest ou en Corée du Sud, sur ceux des migrants morts aux frontières européennes, et enfin sur les corps expertisés et controversés des condamnés à mort exécutés aux USA. L’enjeu de cette étude est double : tout d’abord, analyser les recompositions contemporaines de la gestion des morts violentes et, ce faisant, d’interroger les limites actuelles du monopole étatique de la violence légitime. Les cadavres controversés étudiés par le projet relèvent en effet par excellence des corps « infâmes », dont la mort violente est habituellement indifférente aux autorités étatiques (dans le cas des migrants) ou directement provoquée par ces dernières (cas des crimes de masse ou de la peine capitale), mais qui sont aujourd’hui l’objet de l’attention d’acteurs situés hors ou au dessus des Etats. Le second enjeu des recherches menées au sein de CORTEM est alors de décrire l’émergence de controverses transnationales autour de l’expertise et du traitement de ces restes humains, et la combinaison originale qu’ils opèrent entre des savoirs experts émanant d’acteurs publics ou privés pouvant être des scientifiques, des militants, ou encore des juristes. Quelles sont les scènes et les organisations transnationales (forums, think tanks, cours de justice internationale) au sein desquels ces acteurs interagissent, et dans quelle mesure circulent-ils d’une scène à l’autre ? Comment les différentes expertises mobilisées permettent-elles de faire « parler » les corps, de qualifier les conditions de leur mort : c’est-à-dire de les désigner ainsi comme victimes ou de désigner les responsables de leur décès ? Comment s’opère alors la traduction d’un langage expert à propos des cadavres (médical ou juridique par exemple) vers un autre ? Tels sont les questions auxquelles CORTEM vise à répondre. L’objectif final du projet est ainsi de décrire les nouveaux collectifs « hybrides » d’acteurs, et les nouvelles arènes transnationales de débat, qui se construisent autour de cette problématisation des restes humains – et, au-delà, autour de la problématisation de la violence d’Etat dans le monde contemporain. Il constituera un apport scientifique immédiat en proposant l’analyse sociologique d’une question jusqu’ici peu étudiée – les cadavres et leur traitement controversé – qu’il relie directement à des évolutions politiques majeures du monde contemporain, notamment la globalisation des enjeux politiques, et la mise en cause croissante de la violence politique des Etats. D’un point de vue méthodologique, il fournit l’occasion d’articuler les acquis de la sociologie des sciences avec ceux des sociologies des controverses, en prenant au sérieux la matérialité des restes humains et leur impact sur l’activité des experts. Enfin, il contribuera à l’action des professionnels, notamment pour la diffusion de « bonnes pratiques » en matière de traitement des restes humains.

Le projet a pour but de développer un outil unique de caractérisation des propriétés magnétiques de la surface de matériaux et à l’échelle nanométrique en combinant des capteurs magnetorésistifs nanométriques très sensibles et un microscope à force atomique. Cet outil aura trois grandes applications innovantes : la nanométrologie magnétique, l’imagerie de la susceptibilité et l’imagerie de spectroscopie RMN, qui auront potentiellement des retombées pour la caractérisation non destructive de matériaux et l’étude de structures magnétiques nanométriques notamment.

Les éléments-traces métalliques forment une classe importante de polluants, qui sont parvenus dans l’eau à la fois naturellement et à cause de l'exploitation minière, de l'agriculture et de l'industrie. Détecter et éliminer les éléments métalliques présente un intérêt majeur car ils sont toxiques même à l’état de traces. Les méthodes courantes pour suivre ces polluants dans l’eau restent coûteuses et font généralement appel à des analyses longues réalisées en laboratoire. Les méthodes électrochimiques utilisant des électrodes spécifiques, comme celles basées sur les ligands, apparaissent de plus en plus comme une alternative crédible car elles sont rapides, peu onéreuses et peuvent conduire à la réalisation de capteurs portables. Le but de ce projet est la simplification de l'analyse des métaux lourds dans le milieu naturel et de ce fait la capacité à augmenter la densité de données pour un certain budget analytique. Il s’agit de mettre en place un système d’analyse électrochimique rapide et transportable permettant l’analyse sélective d’éléments métalliques (Pb2+, Hg2+, Cd2+) à l’état de traces (10-9-10-8 mol L-1) en milieu aqueux (mer et rivières) s’appuyant sur des avancées récentes dans les domaines de l’analyse électrochimique portable et la fonctionnalisation de surface. Dans ce domaine de recherche très actif de l’électroanalyse, le projet combine plusieurs aspects originaux à la fois fondamentaux et appliqués pour développer ces capteurs : i) un nouveau concept de dispositif basé sur de la voltammétrie par échantillonnage sur réseau d’électrodes (EASCV) permettant le renouvellement de la surface de l’électrode et de la solution en son voisinage pendant l’analyse. L’acquisition des données, qui ne nécessite pas de rampe de potentiel, est simplifiée et le dispositif peut être portable. ii) un bon contrôle du procédé de fonctionnalisation pour introduire des récepteurs spécifiques à chaque ion cible (notamment l’électrogreffage de sels d’aryldiazonium associé à une stratégie de « protection-déprotection »). L’adaptation du système électrochimique basé sur l’EASCV aux électrodes modifiées sera réalisée pour la première fois dans ce projet. Une augmentation du signal comparé à une analyse classique réalisée sur une électrode unique est attendue car le signal électrochimique obtenu sur chaque électrode du réseau est indépendant des autres électrodes. A l’aide de l’expertise complémentaire des quatre partenaires, nous développerons un outil analytique transportable, efficace et peu coûteux par la combinaison de l’analyse EASCV en redissolution anodique et l’immobilisation de récepteurs spécifiques sur la surface d’un réseau d’électrodes. Les tests des capteurs dans des conditions réelles représenteront une large part du projet qui sera effectué selon les tâches suivantes : 1) Un réseau d’électrodes compatible avec l’EASCV sera réalisé et modifié par un procédé de fonctionnalisation contrôlé afin d’introduire des récepteurs spécifiques à chaque ion. 2) L’optimisation des conditions analytiques par voltammétrie par échantillonnage sur un réseau d’électrodes modifiées sera réalisée dans des solutions tests. La recyclabilité du capteur sera également testée. 3) Les performances du capteur utilisant des matrices simples et un multipotentiostat de laboratoire seront évaluées. Les interférences et la capacité du capteur à détecter des polluants dans des milieux complexes seront testées. 4) Un point important sera le développement d’un système électroanalytique transportable dédié à l’EASCV. Cette étape conduira à la validation de la technologie en laboratoire. 5) La dernière tâche sera consacrée à la validation de la technologie électroanalytique dans un environnement pertinent. L’objectif premier est une meilleure connaissance des contraintes liées à la mise en œuvre du système analytique dans un environnement réel.

DEVINS propose de nouvelles nanotechnologies pour améliorer les performances des détecteurs UV "solar blind" à Lyman Alpha 121nm, dans le continu Herzberg 200-220 nm, et pour la mesure de l'ozone (<280 nm et <320 nm) en réduisant la sensibilité visible/IR. Cela permettra de futurs programmes spatiaux de longue durée pour l'étude du Soleil, de l'héliosphère, de la météorologie de l'espace et de l'observation de la Terre (ozone en particulier). Ces avancées technologiques majeures sont permises par une nanotechnologie innovatrice et en plein essor : la «Pulsed Laser Deposition» de nanostructures en ZnO et avec son alliage, MgZnO. Ces technologies seront développées, réalisées et testées par notre consortium ainsi qu'un test "grandeur nature" des performances d'un détecteur sur notre projet de nanosatellite entre le CNES, Polytechnique et le LATMOS/CNRS/Université Paris-Saclay (SERB, X-CubeSat 2).

La microbiologie synthétique est l’une des voies les plus prometteuses pour obtenir plus, moins cher et dans le respect de l’environnement. Une des approches clés pour obtenir les bio-briques de la biologie synthétique est l’évolution dirigée. Dans ce contexte, une avancée majeure concerne le développement de systèmes d’évolution dirigée en continu utilisant des vecteurs « orthogonaux » permettant de découpler l’accumulation des mutations dans le gène d’intérêt et dans le génome de la cellule hôte. Ce projet vise à développer un tel système pour la bactérie gram+ Bacillus subtilis. Un pas important vers les applications en biotechnologie sera aussi réalisé puisque l’approche sera appliquée à la production: de nouveaux facteurs de transcription pouvant servir à l’ingénierie de circuits de régulations génétiques chez B. subtilis, et de nouvelles protéines liant des ions inorganiques tels que les métaux lourds qui pourront servir de biosenseurs ou en bioextraction. Le programme de travail se décompose en trois parties : développement d’un système d’évolution dirigée dans B. subtilis ; analyses in silico pour l’optimisation du système ; application à la production de biobriques. B. subtilis est une bactérie de très grand intérêt biotechnologique: c’est la deuxième bactérie modèle après Escherichia coli et donc un châssis naturel pour la biologie synthétique; c’est aussi une bactérie totalement inoffensive du sol (et probablement un commensal normal dans le tube digestif humain) avec une très grande variété de capacités physiologiques ; elle est capable de survive à des conditions extrêmes sous la forme de spore. B. subtilis et plusieurs de ses proches cousins (notamment B. licheniformis et B. amyloliquefaciens) sont largement utilisés pour la production industrielle d’enzymes. De fait, ces bactéries exhibent une remarquable capacité à produire des composés biologiques qui peut être conduite à une échelle industrielle.

GRaFTING cible une problématique très actuelle de développement de nouveaux polymères totalement biosourcés. L’objectif est d’explorer une approche uniquement enzymatique et en deux étapes pour la synthèse à façon de polyélectrolytes. Une palette d’alpha-glucanes de structures et masses molaires finement contrôlées seront tout d’abord produits à partir de saccharose à l’aide d’alpha-transglucosylases. Différentes classes d’enzymes de modifications (d’origine naturelle et/ou ingénierées) seront ensuite utilisées pour la fonctionnalisation régiospécifique des polysaccharides par des groupements non glucidiques et chargés. Des structures différant par la nature et le degré de substitution sont attendues. Leur aptitude à former des assemblages macromoléculaires présentant des propriétés de réponse à des stimuli, d’auto-réparation et/ou de retard de flamme sera examinée ainsi que leur capacité à substituer des polyélectrolytes connus pour des applications médicales et/ou pour la conception de nouveaux texturants et bio-matériaux.

Les microalgues représentent une source de matières premières en plein essor avec des propriétés très intéressantes industriellement (production de carburant, biomasse, molécules à haute valeur ajoutée, etc.). Très souvent, le monitoring du procédé de production de ces molécules est assuré par des méthodes monoparamétriques relativement simples mais ne permettent que l’évaluation de certains paramètres physiques (pH, T, turbidité, gaz). Pour améliorer la compréhension du bioprocédé, la caractérisation des molécules produites est réalisée par des méthodes analytiques très performantes. Mis en corollaire, l’analyse nécessite la destruction des cellules suivie par une extraction par des solvants organiques. Ces techniques opérant en off-line, rendent difficile le contrôle rapide du procédé d’où l’intérêt d’utiliser les méthodes non invasives comme la spectroscopie Raman qui permettrait potentiellement d’étudier in-situ la physiologie cellulaire. Le projet ORAMA propose une prise en compte de l’ensemble de la chaîne de mesure et de valeur allant de la conception du système de mesure jusqu’à son épreuve en conditions industrielles et sa commercialisation. Le capteur développé permettrait de fournir une réponse fiable et en temps réel de la composition des algues aidant ainsi à mieux gérer la récolte et d’alerter l’opérateur en cas de complications inattendues sur son procédé. Plusieurs stratégies d’analyse en-ligne sont envisagées pour trouver les meilleurs résultats en termes de performance et de praticité. Le défi consiste à adapter le système analytique pour pouvoir évaluer directement le contenu de la cellule algale en optimisant les paramètres techniques nécessaires pour le suivi direct dans le milieu réactionnel très complexe. Les verrous technologiques et scientifiques sont liés à l’élaboration d’une base de données robuste, à l’impact du milieu de culture sur l’empreinte propre à la cellule algale, à la faible sensibilité du système de mesure et à la fluctuation du signal due à la mobilité des cellules étudiées. Ces verrous sont minimisés grâce à la conception d’une lecture optique optimisée et des modèles statistiques bien adaptés aux tâches à réaliser. D’autres questionnements scientifiques comme par exemple la formation du biofilm sur les surfaces de mesure et leur impact sur la production seront traités dans notre projet pour apporter une compréhension à ce problème complexe fréquent en bioprocédés. Notre projet offre une forte prise en compte de la contrainte industrielle en associant à la fois une plateforme pré-industrielle et une entreprise (end user) pour éprouver la méthode développée. L’ultime phase consiste à valider la technologie élaborée sur des raceways clos d’une plateforme de production algale. Le prototype développé sera déployé dans les installations d’un end-user pour valider son adéquation avec les objectifs fixés (passage en TRL 7-8). En parallèle des phases de développements technologiques et de recherches scientifiques, une étude de marché sera réalisée afin de répertorier les secteurs d’application potentielle de la technologie développée et de promouvoir cette nouvelle technologie dans d’autres domaines du bioprocédé appliqué dans le domaine agroalimentaire ou médical.

Les circuits génétiques synthétiques peuvent se révéler inefficaces en raison d'interférences indésirables entre les circuits synthétiques et le système hôte. Une stratégie prometteuse pour renforcer l'innovation en biotechnologie repose sur la construction rationnelle de souches châssis. Pour les biotechnologies, la souche châssis recherchée doit (1) inclure le répertoire minimal de gènes requis pour la croissance rapide et la production efficace des protéines d'intérêt, et (2) posséder une enveloppe cellulaire robuste adaptée aux cultures à haute densité et à grande échelle. De précédentes études du J.C. Venter Institute menées sur les cellules synthétiques minimales ont permis de construire JCVI-Syn3.0, une cellule dérivée de mycoplasme contenant un génome de 0,53 Mb et 473 gènes. JCVI-Syn3.0 représente actuellement la meilleure approximation d'une cellule minimale autonome, mais sa croissance exige un milieu de culture complexe et coûteux du fait de l'incapacité des mycoplasmes à synthétiser la paroi cellulaire, les acides aminés, les lipides et les précurseurs d'acides nucléiques. Dans le projet Bacillus 2.0, nous proposons de construire un châssis bactérien semi-synthétique, minimal et modulable pour les biotechnologies, capable de croître dans des milieux de culture basiques et peu coûteux. Nos précédents travaux ont montré que de grandes délétions d’intervals chromosomiques pouvaient être combinées en se basant sur un répertoire des régions génomiques non essentielles, pour construire de manière rationnelle un châssis dérivé de la bactérie modèle à Gram positif Bacillus subtilis, bactérie largement utilisée dans les biotechnologies. Grâce aux nouvelles technologies de design et d’ingénierie de génome, ce projet permettra de développer SynBsu2.0, un châssis minimal dérivé de B. subtilis. Bacillus 2.0 repose sur des procédures de pointe pour la construction rapide de souches améliorées dérivées de Bacillus, impliquant le clonage du génome dans la levure et son ingénierie avant transplantation retour dans des protoplastes de B. subtilis. Les souches transplantées les plus prometteuses seront caractérisées et feront l’objet d’évolutions dirigées en laboratoire afin d’acquérir un meilleur fitness pour preuve de concept et comme prérequis pour le développement futur de nouvelles souches pour l'industrie, la médecine ou les biotechnologies. De plus, la comparaison des génomes de SynBsu2.0 et JCVI-Syn3.0 apportera de nouvelles connaissances sur le répertoire minimal de gènes requis pour maintenir les machineries cellulaires nécessaires à la biosynthèse de la paroi cellulaire, des lipides, des acides aminés, des nucléotides et plus généralement pour l'expression des gènes.

De nombreux microorganismes pathogènes manipulent les voies de signalisation dépendantes de l’AMP cyclique dans les cellules eucaryotes pour favoriser leur survie et leur prolifération chez l’hôte. Les facteurs de virulence de type ExoY représentent une nouvelle sous-famille atypique de toxines à activité nucléotidylcyclase (NC). L'Exoenzyme Y (ExoY) a d'abord été identifié comme une toxine sécrétée par le système de sécrétion de type 3 (T3SS) de Pseudomonas aeruginosa, un pathogène opportuniste impliqué dans des infections nosocomiales. P. aeruginosa (P. a.) est aussi responsable d’infections respiratoires chroniques sévères chez les patients atteints de mucoviscidose. ExoY est présent dans 90 à 98 % des isolats cliniques de P. a., ce qui suggère un rôle important dans la pathogénicité de ces isolats, mais ce rôle reste mal compris dans les infections par P. a. Des modules enzymatiques ou protéines effectrices apparentés à ExoY et mal caractérisés ont également été trouvés récemment dans plusieurs toxines produites par diverses bactéries à Gramnégatif représentant des pathogènes émergents dans le règne animal. Certains se sont révélés essentiels pour la virulence bactérienne. Nous avons récemment montré que les toxines NC sont puissamment activées dans la cellule hôte par un cofacteur eucaryote original qui est l'actine. Pourtant, nos résultats préliminaires suggèrent que ces toxines diffèrent entre elles dans leur sélectivité de substrat, leur interaction avec l'actine et mécanismes d'activation, leur impact sur la dynamique du cytosquelette d'actine, et leur distribution intracellulaire. Elles pourraient donc perturber différemment la signalisation des cellules hôtes. Notre objectif est ici de caractériser, au niveau moléculaire et structural et dans des modèles d'infection cellulaires pertinents, les spécificités fonctionnelles, le rôle précis et les mécanismes de virulence de cette nouvelle classe de toxines NC activées par l'actine. Notre étude pourrait aider à mieux comprendre les infections bactériennes par P. a. et divers organismes pathogènes à Gram négatif. Pour déchiffrer leurs relations structure-fonction, nous analyserons plusieurs membres représentatifs de cette sous-famille de toxines NC activées par l'actine. Nos principaux objectifs sont de caractériser in vitro et dans les cellules leurs spécificités fonctionnelles et leur impact sur la dynamique d'auto-assemblage de l'actine. Nous étudierons les bases structurales de leurs mécanismes d'activation et de leurs spécificités enzymatiques, chercherons à identifier des inhibiteurs de l'activité nucléotidyl cyclase. Nous chercherons à évaluer les phénotypes et la prévalence de l’activité des ExoY présents dans les souches bactériennes incluses dans la collection de référence de P. aeruginosa. Nous étudierons les effets d’ExoY de P. a. sur la phagocytose, l'inflammation, la production de mucus ou l'intégrité des jonctions cellulaires dans les cellules infectées par P. a. en vue de déterminer l'importance d'ExoY dans la modulation de l'immunité innée des voies aériennes de l'hôte. Nous analyserons enfin l'interaction entre les facteurs de virulence de type ExoY et d'autres facteurs bactériens de virulence qui affectent le cytosquelette d'actine. Notre projet de recherche sera novateur à plusieurs niveaux. Il élargira les connaissances fondamentales sur les mécanismes de virulence des effecteurs secrétés par un système T3SS dans les infections par P. a. Il permettra d’identifier les spécificités fonctionnelles des toxines apparentées à ExoY récemment identifiées dans des protéobactéries représentant des pathogènes émergents pour l’homme ou les animaux, et finalement d’explorer leur potentiel en tant que cible médicamenteuse. Enfin, notre projet pourra aider à mieux comprendre la pathogénicité de P. a. dans des maladies comme la mucoviscidose pour laquelle il n’existe pas encore de thérapie efficace.

L'ADN cellulaire est constamment soumis à des stress exogènes et endogènes entraînant des dommages de base et des cassures de brin. Une mauvaise réparation des altérations nucléiques peut conduire à des conséquences délétères pour les cellules telles que les aberrations chromosomiques, l'instabilité génomique et la mort cellulaire. Les poly(ADP-ribose) polymérases (PARPs) utilisent le NAD+ pour catalyser la synthèse d'un polymère ramifié poly(ADP-ribose) (PAR) sur les protéines nucléaires. PARP1-3 sont considérés comme des senseurs de l’ADN endommagé, qui régulent les voies de réparation en recrutant des facteurs de remodelage de la chromatine et de réparation de l'ADN au niveau des sites altérés. Nos études in vitro récentes ont montré pour la première fois que PARP1 et PARP2 peuvent catalyser la ligation d'unités ADP-ribose sur des nucléotides présents au niveau des cassures de brins d'ADN. De plus, nous avons démontré que PARP3 peut produire des adduits de mono(ADP-ribose)-ADN sur des résidus phosphate terminaux aux extrémités DSB et SSB, révélant un mécanisme d’ADP-ribosylation de l’ADN par PARP3 ou PARP2. Nous avons constaté que, selon la configuration des ruptures de brins d'ADN, les extrémités de l'ADN peuvent devenir des sites accepteurs préférés pour l'ADP-ribosylation par rapport aux protéines. Nous avons démontré que l'ADN avec une brèche ADP-ribosylée pouvait être ligué pour donner un ADN continu contenant un site abasique aberrant. Nos résultats révèlent une activité efficace de PARylation de l'ADN dans des extraits cellulaires et fournissent une preuve indirecte de la présence d’adduits PARylés de l'ADN dans des échantillons d'ADN génomique purifiés après un traitement génotoxique. Ces résultats suggèrent que certains types de cassures d'ADN complexes peuvent être efficacement ADP-ribosylés par des PARPs dans la réponse cellulaire aux dommages à l'ADN. Il est important de noter que ces processus sont réversibles puisque PAR peut être dégradé par la poly(ADP-ribose)glycohydrolase. Ces premières découvertes définissent une nouvelle fonction des PARPs. L'ADP-ribosylation des extrémités de brins d'ADN pourrait : bloquer de manière temporaire leur transformation et les protéger contre une dégradation non spécifique ou une jonction aberrante; activer un signal apoptotique; déclencher la relocalisation des loci d'ADN endommagés dans le noyau ou le recrutement et l'assemblage des facteurs spécifiques de la réparation. Un enjeu majeur aujourd’hui est de démontrer la présence d'ADP-ribosylation de l'ADN dans les cellules vivantes et de caractériser leur pertinence physiologique. L'objectif principal du présent projet est de révéler le rôle de l'ADP-ribosylation de l'ADN dans la réponse aux dommages à l'ADN, et dans la coordination de la réparation des cassures de brins. Nous développerons à cette fin de nouveaux outils d’analyse sensibles et spécifiques. Nous proposons ici: (i) de caractériser la spécificité du substrat de l'ADN et les mécanismes d'ADN PARylation par PARPs; (ii) d’étudier le rôle de l'ADP-ribosylation de l'ADN dans la jonction d'extrémités non homologues; (iii) d'élaborer une analyse par spectrométrie de masse avancée des nucléotides ADP-ribosylés ; (iv) de produire des anticorps spécifiques des adduits d'ADN ADP-ribosylé; (v) d’identifier les adduits d'ADN ADP-ribosylé et leurs "lecteurs" ou "correcteurs" potentiels dans des cellules de mammifères exposées à divers traitements génotoxiques. La réalisation de ces diverses tâches nous permettra d’obtenir des outils performants de recherche des adduits ADP-ribosylés de l’ADN et de préciser les fonctions biologiques des modifications de l’ADN générées par PARP. Enfin, les nouvelles connaissances concernant les mécanismes d'action de PARP pourront être mises à profit afin d’identifier de nouvelles cibles thérapeutiques ou diagnostiques impliquées dans les maladies associées aux altérations de l'ADN, aux processus d’inflammation et de vieillissement.

Les produits naturels (PN) sont de petites molécules bioactives produites par des organismes vivants, souvent des microorganismes. Ils sont à l’origine de nombreux médicaments. La diversité des PN n’a pas été explorée et exploitée de manière exhaustive. Dans de nombreux domaines (anti-infectieux, anti-tumoraux, …) de nouvelles molécules bioactives sont activement recherchées, entre autres parmi les PN. La biologie de synthèse, qui vise à modifier rationnellement les organismes vivants pour leur conférer de nouvelles fonctions, peut contribuer à cette recherche de molécules bioactives. Dans le domaine des PN, la biologie de synthèse peut permettre de découvrir de nouveaux PN en exprimant des groupes de gènes de biosynthèse de PN silencieux dans les conditions de laboratoire, d’améliorer les rendements de biosynthèse ou de synthétiser de nouveaux PN en reprogrammant des chaînes d'assemblage biosynthétiques. Cependant, cette approche en est encore à ses débuts et des outils performants doivent être développés pour faciliter son utilisation. La biosynthèse des PN implique une succession souvent complexe d'étapes catalysées par des enzymes. Chaque étape peut être réalisée indépendamment des autres. Cependant les enzymes d’une voie métabolique peuvent être organisées dans l'espace afin d'améliorer l'efficacité globale de cette voie. Des approches de biologie de synthèse visent à rapprocher et organiser spatialement dans la cellule les enzymes impliquées dans une même voie. Ceci peut être fait en fusionnant les domaines catalytiques avec des domaines de liaison afin que différentes enzymes se lient à une même molécule (ADN, ARN, protéine). Ces approches de "scaffolding" nécessitent la mise au point d’outils performants, modulaires et faciles à utiliser. Nous proposons d’utiliser une nouvelle famille de protéines artificielles, les alphaRep pour construire de nouveaux outils de "scaffolding". Les alphaRep sont structurées, extrêmement stables, non sujettes à l'agrégation. Elles peuvent donc être facilement fusionnées à d'autres partenaires protéiques. Les AlphaRep ont une forme de solénoïde courbe dont la région concave forme une surface d'interaction hypervariable. Il est possible de sélectionner des alphaRep capable de fixer spécifiquement toute protéine cible, naturelle ou artificielle, arbitrairement choisie. Ceci permet de générer, de manière rapide et efficace, un ensemble de paires de protéines orthogonales, chacune interagissant de manière spécifique avec un unique partenaire. Nous proposons de développer des systèmes orignaux permettant d’organiser spatialement des enzymes de biosynthèse fusionnées avec des alphaRep. Ceci permettra de positionner ces enzymes à proximité les unes des autres, augmentant l’efficacité de voies de biosynthèse naturelles et permettant aussi de concevoir de nouvelles voies, et d’obtenir de nouveaux produits, par co-localisation d’enzymes provenant de voies différentes (biosynthèse combinatoire). Ces outils seront testés avec des voies de biosynthèse de PN peptidiques impliquant des cyclodipeptides synthases ou des synthétases de peptides non ribosomiques. Ils permettront d’étudier l’impact du "scaffolding" d’enzymes fournissant des précurseurs avec les enzymes les assemblant, dans le cas où il y a une forte compétition entre différentes voies pour ces précurseurs. L’effet du "scaffolding" sur l’efficacité d’une voie complexe sera aussi testé, dans une bactérie hôte hétérologue comme dans l’hôte d’origine. Enfin l’impact du "scaffolding" dans des approches de biosynthèse combinatoire sera évalué. Dans ce projet, de nouveaux outils de biologie de synthèse seront conçus, construits et testés chez différents microorganismes en prenant comme modèles des voies de biosynthèse de produits naturels dont certains ont des activités antibiotiques. Outre ces outils ce projet fournira des informations sur les éléments importants pour optimiser une voie de biosynthèse.

L’un des problèmes les plus complexes en biologie est d’analyser la dynamique des variations de structure et de composition de protéomes complexes, pour mieux comprendre les mécanismes de régulation de l’expression génique dans des conditions normales ou pathologiques. En utilisant du glucose ne contenant que des atomes de 12C, nous avons développé une méthode très simple de marquage métabolique (le SLIM-labeling) qui permet d’analyser avec une très grande efficacité des protéomes complexes, aussi bien par l’analyse des peptides que par l’analyse des protéines intactes. Nous proposons maintenant de développer une suite logicielle adaptée à l’analyse des données obtenue, de valider nos nouvelles approches quantitatives par des analyses statistiques rigoureuses, et d’étendre la méthode à l’analyse quantitative des variations d’abondance et d’état des protéines intactes, dans des systèmes biologiques complexes, des organismes pluricellulaires et des cultures de cellules humaines.

Les organismes ont évolué pour détecter des métabolites et ces capacités de détection sont utilisées par l’homme depuis fort longtemps. Récemment, la biologie de synthèse a étendu et rationalisé la biodétection avec l'ingénierie de biocapteurs cellulaires. Les principaux avantages des biocapteurs cellulaires par rapport à la détection abiotique basée sur des anticorps, l'hybridation d'acide nucléique ou l'analyse métabolomique sont : des coûts moins élevés, une meilleure stabilité et la possibilité d'être utilisés directement dans les lieux de soins ou à domicile chez les patients. Ce projet vise à mettre en place une plateforme de développement de biocapteurs cellulaires programmable et évolutive pour la détection multiplexée de biomarqueurs dans des échantillons cliniques. Afin d’illustrer cette technologie, nous avons choisi la détection de biomarqueurs de maladies chroniques (cancer, schrizophénie, insuffisance rénale, urémie). Nos biocapteurs cellulaires seront évalués sur des échantillons cliniques de patients du CHU de Montpellier. La technologie des biocapteurs cellulaires pour la clinique est pertinente car les partenaires du projet ont récemment résolu deux principaux goulets d'étranglement limitant son application : (i) l'augmentation du nombre d'analytes qui peuvent effectivement être détectés et (ii) l’augmentation de la fiabilité du fonctionnement des biocapteurs dans des fluides physiologiques complexes. La plupart des biocapteurs actuels ne sont activés que par une demi-douzaine de signaux d'entrée. Pour pallier cette lacune, le partenaire MICALIS a récemment élargi la palette de molécules biologiquement détectables en concevant et en développant systématiquement des voies métaboliques qui transforment des substances chimiques non détectables en molécules pour lesquelles des capteurs existent déjà. La méthode a été testée avec succès pour l'ingénierie de biocapteurs permettant de détecter des polluants, des médicaments et des biomarqueurs tels que l'acide benzoïque et l'acide hippurique. L'autre défi limitant le déploiement des biocapteurs est leur fonctionnement peu fiable avec un faible rapport signal sur bruit dans des échantillons complexes et hétérogènes. Le partenaire CBS a résolu ce problème en développant une plateforme de traitement du signal qui utilise des amplificateurs génétiques. Le CBS a démontré la détection d'une glycosurie anormale dans l'urine de patients diabétiques. Ce travail, publié dans Science Translational Medicine, valide la capacité opérationnelle de la technologie dans les échantillons cliniques. Dans le présent projet, nous proposons de combiner les avantages des développements récents ci-dessus en détectant des biomarqueurs par des voies métaboliques synthétiques agissant comme des dispositifs analogiques en déclenchant une réponse numérique en utilisant des circuits génétiques fonctionnant de manière robuste dans des échantillons cliniques. Un tel système hybride analogique/numérique n'a pas encore été développé pour les biocapteurs. Nos biocapteurs seront mis en œuvre dans des bactéries et dans des systèmes acellulaires sur papier. Les capteurs bactériens peuvent contenir des circuits de détection complexes, ils n'ont pas besoin de ressources coûteuses et sont bon marché à produire. Cependant, les biomarqueurs toxiques ou ne pouvant pas traverser la membrane cellulaire peuvent s'avérer difficile à détecter. Nous proposons donc de tester nos constructions dans des systèmes acellulaires, dépourvus de membrane mais disposant de toute la machinerie de transcription et traduction. Dans de tels systèmes, les biocapteurs peuvent être stockés après lyophilisation, les circuits de détection peuvent être facilement optimisés en changeant simplement la quantité d'ADN codant pour les différentes fonctions et finalement, les systèmes acellulaires étant abiotiques leurs réglementation et acceptation s’en trouvent simplifiées.

Le séquençage d’ADN haut débit révèle progressivement les secrets des gènes pour tous les organismes, mais le monde complexe des protéines reste largement méconnu malgré le rôle essentiel qu'elles jouent dans les organismes vivants. Pour une même protéine, il existe une diversité qui provient d’une part de variants génétiques ou d’un épissage alternatif affectant sa séquence d'acides aminés et d’autre part de modifications post-traductionnelles (PTMs) modifiant sa chimie après synthèse. La diversité des PTMs serait un élément majeur pour expliquer l'écart entre le petit nombre de gènes et la machinerie complexe des organismes. La «protéomique» fait référence à la discipline scientifique qui vise à identifier, quantifier et caractériser les protéines à grande échelle. L'approche expérimentale la plus utilisée, appelée «bottom-up», est capable de générer des dizaines de milliers de spectres expérimentaux en environ une heure d’analyse. L’usage d’un logiciel est indispensable pour traiter ce volume de données, mais à l’heure actuelle, 40 à 75 % des spectres restent non interprétés après analyse. La présence de modifications portées par les protéines est l'hypothèse la plus répandue pour expliquer ce faible taux d’interprétation. En renouvelant le paradigme de la comparaison de grands volumes de spectres, deux partenaires du projet ont déjà levé un premier verrou méthodologique pour résoudre ce problème. Le logiciel SpecOMS permet de comparer des dizaines de milliers de spectres expérimentaux à des centaines de milliers de spectres modélisés sans filtre sur leur masse à partir d'une banque de protéines, ceci en quelques minutes sur un poste de travail standard. En s’appuyant sur la puissance de cette nouvelle approche, l’objectif du projet DeepProt est de développer de nouveaux algorithmes pour interpréter l'ensemble quasi-exhaustif des spectres expérimentaux générés par les expériences de protéomique - même celles issues d'études métaprotéomiques complexes – puis d’en déduire la liste des protéines présentes dans le mélange analysé avec des informations détaillées sur leurs PTMs. Ces algorithmes devront répondre à plusieurs défis: (i) mieux identifier les spectres porteurs de plusieurs modifications, (ii) améliorer l'inférence des protéines et décrire leurs modifications, (iii) faire face au changement d’échelle entre le protéome d’un seul organisme et un métaprotéome (plus de deux ordres de grandeur pour le microbiote intestinal humain). Pour relever ces défis, DeepProt s'appuiera sur un consortium multidisciplinaire maîtrisant toute la chaîne d'une analyse protéomique complexe et traitera des jeux de spectres issus de deux questions scientifiques majeures: l'étude des modifications protéiques induites par les procédés alimentaires (étude en relation avec l’allergénicité des aliments) et la métaprotéomique du microbiote intestinal (pour de nouvelles perspectives thérapeutiques). Ainsi, en plus des avancées algorithmiques, DeepProt permettra des avancées significatives applicables à la fois aux études du microbiote intestinal et en « foodomics ». Les nouveaux modèles et algorithmes développés par DeepProt seront implémentés dans un logiciel convivial déjà existant et utilisé, permettant de gérer une analyse protéomique de bout en bout et de quantifier les protéines identifiées. Au travers de cet outil destiné à la communauté protéomique, le projet DeepProt fournira les moyens d'obtenir une vision plus complète des protéomes complexes et de leurs variations. DeepProt ouvrira ainsi des perspectives de recherche dans de nombreux domaines de la biologie et de la santé.

Les interactions protéine-ARN sont cruciales pour de nombreuses fonctions cellulaires et leur implication dans diverses pathologies est étudiée depuis longtemps. La compréhension des mécanismes moléculaires à la base de ces processus reste une question centrale de la recherche actuelle en biologie. De récents progrès dans les expériences à haut débit ont produit des quantités énormes de données et ont largement étendu le répertoire connu de molécules d’ARN, de protéines liant l’ARN et d’interactions protéine-ARN. Cependant, un grand décalage subsiste entre ce déluge d’information à grande échelle et la rareté des données biophysiques et structurales à plus haute résolution. Le présent projet vise à développer une approche bioinformatique nouvelle et intégrative pour coupler les données massives issues des récentes expériences « omiques » à haut débit aux données détaillées de structure, de biophysique et de biochimie. Grâce à une analyse de données soignée et à la puissance de la modélisation statistique et de l’apprentissage automatique, j’utiliserai la richesse de ces informations hétérogènes pour prédire les interactions protéine-ARN dans leur détail moléculaire. En particulier, je développerai des fonctions de score améliorées pour l’amarrage protéine-ARN en utilisant l’information structurale disponible à haute résolution, augmentée grâce aux données d’interaction « omiques » et complétée par l’information issue de la (co) évolution macromoléculaire. Les modèles structuraux d’interactions protéine-ARN ainsi générés seront intégrés à l’échelle des assemblages modulaires protéines-ARN et plus largement des réseaux d’interactions. Les prédictions réalisées et les outils développés seront mis à disposition d’une large communauté de biologistes, avec de nombreuses applications possibles telles que l’interprétation de mutations pathogènes et la conception de mutants permettant de tester expérimentalement le rôle fonctionnel d’une interaction donnée. Les applications à plus long terme incluent l’ingénierie moléculaire de protéines liant l’ARN et le développement de solutions thérapeutiques.

SoftwAiR: Traitement haut-débit des données de spectrométrie de masse en temps réel et haute-résolution pour l’analyse de l’air expiré : caractérisation du volatolome en pathologie et dans la réponse aux traitements pharmacologiques La métabolomique est la dernière-née des approches "omiques", consistant à explorer le métabolome, c'est-à-dire l'expression de toutes les molécules endogènes situées en aval (en termes biologiques) de celles étudiées par les méthodes génomiques, transcriptomiques et protéomiques classiques. Une approche métabolomique innovante s’intéressant à l’air expiré (dite "volatolomique") a récemment émergé. Il s'agit d'une analyse exhaustive des composés organiques volatils (COVs) (le volatolome) dans l'air expiré des patients. Ces COVs peuvent provenir directement du métabolisme pulmonaire et refléter l'état métabolique des poumons, mais ils peuvent aussi provenir de tous les autres organes en étant transportés par le sang jusqu'aux poumons et ensuite dans l'air expiré. Des travaux récents suggèrent que la volatolomique est un outil prometteur pour la médecine personnalisée avec des avantages majeurs par rapport aux examens biologiques classiques : l'échantillonnage est complètement non-invasif, indolore et rapide et certains instruments permettent une analyse en temps réel. Ainsi, la spectrométrie de masse à haute résolution avec réaction par transfert de protons (PTR-HRMS) est devenue une technologie puissante pour l'analyse des COVs dans un large éventail d'applications, mais plusieurs écueils restent à résoudre avant son adoption dans la pratique médicale quotidienne. Les principaux sont le manque d'outils bioinformatiques pour le traitement efficace et l'analyse des données PTR-MS et des pipelines statistiques associés pour la découverte de biomarqueurs. Nous avons constitué une équipe de cliniciens, biologistes et mathématiciens expérimentés pour proposer pour la première fois 1) de développer des algorithmes et un environnement logiciel innovants pour le traitement de l'analyse en temps réel des COVs dans l'air expiré et de mettre en place un cadre statistique pour l'étude longitudinale des profils temporels des individus, et 2) d'appliquer ces outils aux échantillons obtenus au cours d'un essai clinique visant à identifier des biomarqueurs du rejet aigu chez des transplantés pulmonaires. Le travail sera effectué avec des données obtenues à partir d'un instrument de dernière génération, à haute résolution et à haute sensibilité. Le programme de 3 ans d'un doctorant au sein d'une équipe du CEA de renommée internationale pour le traitement et l'analyse des données métabolomiques comprendra i) le développement des outils pour le traitement des données PTR-HRMS (détection et quantification des pics, alignement des pics…), ii) le développement d’un cadre statistique pour la découverte de biomarqueurs et l'analyse longitudinale et iii) l'application des outils développés à des échantillons obtenus lors d'essais cliniques réalisés à l'hôpital Foch, en commençant par une étude visant à détecter le rejet aigu chez les transplantés pulmonaires. Les bénéfices attendus sont de réels progrès dans la prise en charge des patients, en évitant l’utilisation répétée de méthodes diagnostiques longues et invasives, en améliorant à la fois la qualité, l'acceptabilité et la charge médico-économique des soins médicaux. La diffusion des résultats et des outils dans des bases de données et les plateformes en ligne accessibles au public permettra l'utilisation de nos approches par d'autres équipes travaillant dans le domaine ou dans des applications non médicales. Par ailleurs, des perspectives existent dans nombre d’autres pathologies pour lesquelles plusieurs essais cliniques sont déjà prévus dans les mois à venir (détection d'infections fongiques ou mycobactériennes chez des patients immunodéprimés ou atteints de mucoviscidose, suivi de la réponse à des immunothérapies ciblées chez des patients asthmatiques...).

La diversité des transcrits est le produit de variations génétiques, transcriptionnelles et post-transcriptionnelles. La combinaison de ces trois effets produit pour chaque espèce un catalogue de transcrit virtuellement illimité. La technologie de séquençage profond RNA-seq fournit un aperçu fascinant de cette diversité par sa capacité à mesurer les niveaux d'expression des transcrits ainsi qu'à en découvrir de nouveaux. Cependant, les logiciels actuels d'analyse de données RNA-seq ne permettent pas d’exploiter pleinement ce potentiel. Les outils les plus courants impliquent des procédures de mapping et/ou d'assemblage qui sont sujettes à erreurs et passent difficilement à l’échelle des jeux de données RNA-seq disponibles publiquement (environ 235.000 pour l'humain seul). De récentes approches à base de k-mers ont considérablement amélioré le temps de calcul et l'évolutivité de l'analyse RNA-seq. Toutefois ces méthodes sont limitées car elles reposent sur un transcriptome de référence et ne peuvent pas prédire de nouveaux événements transcriptionnels. Nous proposons ici un système d'analyse des variants de transcription par RNA-seq fondé sur un concept de signature de k-mers. Ce concept utilise une information de séquence minimale pour capturer chaque événement, qu’il soit transcriptionnel, post-transcriptionnel ou génétique, indépendamment d'un transcriptome de référence. Nous développerons une nouvelle structure de données pour stocker des signatures dans une «encyclopédie» efficace qui associera les signatures à une variété d'événements biologiques tels que variants d'épissage, SNV, indels, ARN circulaires, transcrits de fusion, etc. Pour permettre l'interrogation de grands jeux de données RNA-seq avec des signatures k-mer, nous développerons une nouvelle structure d'index pouvant lier efficacement un k-mer à toutes ses occurrences dans les reads d’une banque RNA-seq. En parallèle, des outils d'inférence de signature seront développés pour permettre la découverte de nouvelles signatures k-mer d'intérêt biologique à partir de données d'expériences RNA-seq. Nous rechercherons spécifiquement des signatures prédictives liées aux maladie humaines, en exploitant les grandes collections publiques de données RNA-seq médicales. Notre approche sans hypothèse a le potentiel de révéler d'importants biomarqueurs diagnostiques ou pronostiques ayant échappé aux criblages précédents, tels que des ARN non codants, variants d'épissage, fusions de gènes et même ARN étrangers provenant de pathogènes. Toutes les signatures inférées seront intégrées dans l'encyclopédie. L'encyclopédie et les outils de requête associés seront fournis à la fois sous forme d’outils open source autonomes et via des interfaces Web. Pour l’utilisateur final, TranSiPedia permettra (1) de récupérer le profil d'expression de toute signature k-mer de l’encyclopedie ou fournie par lui, dans un très grand jeu de banques RNA-seq (>10,000) et (2) d’analyser ses propres banques RNA-seq pour y rechercher les signatures de l'encyclopédie. Des prototypes fonctionnels sont déjà disponibles pour chaque élément du système. Les principales retombées du projet comprennent (1) la capacité de réanalyser les projets RNA-seq dans tout type d'organisme, permettant l'identification d'une diversité d’évènements transcriptionnels sans précédent; (2) la découverte de biomarqueurs ARN de valeur diagnostique et pronostique; (3) une nouvelle façon pour les groupes gérant de grands jeux de données publics d'offrir l'accès à leurs données; (4) à plus long terme, l'émergence d'un écosystème pour la curation d'un index d'événements transcriptomiques à base de signatures k-mer avec des applications dans le domaine de la santé et de la recherche; et (5) une plate-forme puissante pour les services commerciaux que les partenaires industriels peuvent associer à la curation manuelle et à l'apprentissage automatique pour développer des applications biologiques ou médicales ciblées.

La quantification à l’échelle du génome entier des phénomènes moléculaires tels l’expression des gènes ou les mutations de l’ADN, à partir de plusieurs milliers de cellules a révolutionné la biologie à la fin des années 90. Ces avancées ont permis par exemple la caractérisation de sous-types de cancers à partir de leur profils moléculaires, ou l’identification de listes de gènes exprimés ou inhibés dans des conditions particulières. Cependant les cellules d’un échantillon ne sont jamais toutes identiques, et les mesures moyennées fournissent une représentation erronée du signal biologique d’intérêt qui varie d’une cellule à une autre. Grâce aux progrès récents et combinés des techniques de séquençage massifs, ainsi que de la biologie cellulaire à haut débit, nous pouvons désormais mesurer, à l’échelle de la cellule unique, des produits moléculaires comme l’ADN, l’ARN, les états de la chromatine, ou même les protéines. L’utilisation de ces techniques de génomique en cellules uniques, nous permet d’étudier cette variabilité inter-cellulaire au sein d’un même échantillon biologique, et d’explorer de nouvelles questions restées inaccessibles avec la génomique classique. Par exemple, l’hétérogénéité est désormais bien établie pour plusieurs types cellulaires, comme les lymphocytes T, les cellules du poumon, ou les précurseurs des myélomes. La construction d’un atlas complet des types cellulaires humain est même à notre portée aujourd’hui. La variabilité inter-cellulaire est également centrale pour de nombreux processus biologiques, tels que la régulation des gène et la différentiation, car elle reflète la nature fondamentalement stochastique de certains phénomènes moléculaires, et renseigne sur les réseaux moléculaires sous-jacents. Cette variabilité joue un rôle important dans le processus de décision cellulaire, et au delà. Par conséquent, mesurer l’expression des gènes par cellule offre des perspectives nouvelles et révolutionnaires sur notre compréhension de la régulation des gènes, et pourrait permettre de résoudre plusieurs anciens débats en biologie. Au delà des aspects expérimentaux, la génomique en cellules uniques soulève de nouveaux défis mathématiques et computationnels. La nature des données produites et les questions émergentes diffèrent de l’approche classique. Par exemple, étant donné la rareté extrême du matériel biologique dans une seule cellule, il est courant d’avoir 90% de données manquantes dans une expérience en cellule unique, et les observations peuvent être corrompues par plusieurs artefacts expérimentaux. L’analyse de ces données nécessite donc de nouveaux développements statistiques. De plus, la quantité de cellules étudiées simultanément par les futures technologies dépassera le million, un ordre de grandeur bien supérieur à ce qui est rencontré traditionnellement, posant des défis immenses de passage à l’échelle pour les méthodes d’analyse. Enfin, de nouvelles questions émergent, comme la modélisation d’un processus de différentiation, ou l’intégration de données génétiques et épigénétiques à l’échelle de la cellule unique, faisant également appel à de nouveaux développements formels. En résumé, de nouveaux outils d’analyse sont nécessaires pour exploiter au mieux les potentialités émergentes de la génomique en cellules uniques. L’objectif de ce projet est d’affronter certains de ces défis, en développant de nouveaux modèles mathématiques et des outils d’analyse pour trois questions biologiques: l’étude de l’hétérogénéité inter-cellulaires et l’identité cellulaire, la modélisation de la dynamique de différentiation cellulaire et la régulation des gènes, l’analyse des données d’épigenomique en cellules uniques. Pour mener à bien ce projet nous avons réuni un consortium autour de compétences en statistique en grande dimension, apprentissage statistique, bioinformatique, biologie des systèmes, ainsi qu’un réseau de collaborateurs spécialistes de la génomique en cellules uniques, en France et à l’étranger.

Ce projet vise à la mise en place de méthodes de décomposition de domaine asynchrones robustes pour les calculs mécaniques. En effet l'asynchronisme est un élément déterminant pour garantir que les méthodes de calcul maintiennent leurs performances dans des environnements de calcul hétérogènes à très grand nombre de coeurs et soumis à des contraintes d'utilisation intensive ; c'est également un ingrédient permettant de s'affranchir en partie des contraintes d'équilibrage de charge, pratiquement impossibles à prendre en compte sur des problèmes non-linéaires à grilles adaptatives. Les applications ciblées concernent plus précisément le calcul de structures quasi statiques non-linéaires (type élasto-viscoplasticité généralisée) et les calculs océaniques et atmosphériques. Le projet aborde en outre les questions d'accélération et de parallélisme en espace et en temps.

Les simulateurs quantiques sont des systèmes idéalement contrôlés permettant la simulation de la matière quantique complexe. Des efforts expérimentaux pour mettre en œuvre cette idée sont poursuivis en particulier dans le domaine des atomes ultrafroids, des ions piégés, des circuits supraconducteurs, des systèmes photoniques et en RMN. La force et l'originalité de ce projet est de se concentrer sur une nouvelle implémentation utilisant des circuits supraconducteurs mésoscopiques micro-fabriqués. Plus précisément, nous étudierons deux architectures de circuits: (i) des chaînes de jonctions Josephson, (ii) des réseaux de résonateurs supraconducteurs non linéaires. Ces deux systèmes simulent le modèle de Bose-Hubbard pour différents paramètres et différentes géométries de réseaux. Le modèle de Bose-Hubbard est un paradigme largement répandu pour l'étude des systèmes bosoniques fortement corrélés. Il permet de traiter une variété de problèmes en physique de la matière condensée, comme la physique de Mott ou, associé à des champs de jauge artificiels, des phases topologiques de la matière telle que la physique de l'effet Hall quantique. Si certains de ces problèmes sont bien connus dans les systèmes fermés, de nombreuses questions restent sans réponse pour les systèmes ouverts et / ou en présence de désordre. Ce projet permettra d'unifier les efforts théoriques et expérimentaux pour obtenir de nouvelles informations sur (i) la transition supraconducteur-isolant et le rôle du désordre, (ii) la réalisation de nouveaux états de lumière dans les réseaux de résonateurs hyperfréquences. De tels réseaux sont intrinsèquement des systèmes hors d'équilibre et peuvent être conçus pour avoir une topologie non triviale.

L’intrication entre des mémoires quantiques stationnaires et des qubits photoniques est une étape fondamentale dans les développements futurs de réseaux de communications quantiques. Motivée par ces applications potentielles, une nouvelle direction de recherche a vu le jour, explorant la manipulation cohérente tout-optique de qubits de spins uniques et isolés. La discrétisation du spectre d’énergie des boîtes quantiques semiconductrices et leur intégration facile dans des dispositifs conventionnels à base de semiconducteurs, les rendent particulièrement attractives pour ce genre d’applications. Les boîtes quantiques couplées, où les porteurs peuvent passer par effet tunnel cohérent d’une boîte à l’autre, sont encore plus intéressantes pour stocker l’information car elles constituent des qubits de spin avec des temps de cohérence très longs ce qui est nécessaire pour réaliser les portes logiques pour le calcul quantique. Les boîtes quantiques auto-assemblées ont déjà démontré leurs propriétés remarquables en tant que sources de photons uniques et indiscernables mais leur position aléatoire représente un obstacle pour leur intégration dans les circuits et les réseaux photoniques quantiques. Nous proposons de développer un nouveau procédé de fabrication pour une plateforme intégrée d’optique quantique, basé sur une croissance localisée de boîtes, intégrées dans des cavités à cristaux photoniques qui seront reliées par des guides d’onde planaires unidimensionnels et démontrer l’intrication de qubits de spin distants, le tout, « on-chip ». - Le premier objectif du projet est d’établir une stratégie de croissance pour des boîtes quantiques-molécules contraintes, avec une précision inégalée sur la position des boîtes, leur énergie et le couplage tunnel. Cette stratégie est basée sur l’utilisation de substrats gravés de nano-trous afin de contrôler la migration des adatomes sur la surface de croissance, conduisant à des variations d’épaisseur et de composition contrôlables à l’échelle nanométrique pendant la croissance. Des substrats gravés de nano-trous ex-situ seront utilisés pour démontrer qu’il est possible de créer un procédé évolutif pour réaliser des matrices de boîtes quantiques-molécules. Ceci constitue une étape fondamentale dans la création d’un réseau quantique de portes optiquement connectées à base de boîtes quantiques. - L’extraction de la lumière reste le défi principal dans la réalisation d’une interface spin-photon efficace. Le deuxième objectif sera donc d’insérer les émetteurs dans des structures photoniques de manière déterministe, pour tirer profit des effets d’électrodynamique quantique en cavité. Les niveaux électroniques des boîtes quantiques - molécules seront contrôlés localement par l’application de champs électriques et seront parfaitement ajustés au mode optique d’une cavité à cristal photonique, couplé à des injecteurs/extracteurs efficaces de lumière. - Le but du projet I-SQUAD est d’établir les conditions expérimentales nécessaires pour la réalisation de l’intrication spin-photon sur puce. Pour cela, nous démontrerons d’abord la manipulation cohérente tout-optique du qubit de spin (initialisation, contrôle cohérent, et lecture) matérialisé par un spin de trou dans une boîte quantique-molécule insérée dans une cavité à cristal photonique, puis l’intrication spin-photon. Ces deux démonstrations, et la réalisation on-chip des interférences à deux photons de deux boîtes quantiques-molécules, représenteront les briques de base pour les futurs réseaux quantiques locaux réalisés à partir de ces nano-processeurs quantiques interconnectés.

Le projet NanoStrong vise à combiner atomes froids et guides lents à cristaux photoniques. En associant un fort confinement transverse de la lumière et une interaction exaltée via une vitesse de groupe réduite, cette réalisation fournira une nouvelle plateforme permettant un couplage fort entre atomes et photons uniques, en simple passage. Cette direction de recherche conduira à de meilleures figures de mérite que les implémentations en espace libre mais également à des fonctionnalités spécifiques qui ne sont pas réalisables dans les plateformes actuelles. Cela inclut par exemple l’adressage d’une excitation atomique collective par un photon unique et ce sans cavité. Ces fonctionnalités trouveraient de nombreuses applications pour l’optique non-linéaire quantique et l'ingénierie d'états. Reposant sur un matériau prometteur (GaInP) maîtrisé par l'une des équipes et l'expertise unique du consortium dans le design de structure, le projet visera la réalisation d'un guide d'ondes à cristaux photoniques à mode lent couplé à un ensemble d'atomes froids piégés au-dessus de la membrane via les champs évanescents. Cette réalisation originale fournira une nouvelle plate-forme où chaque atome d'un ensemble peut fortement interagir avec un photon unique via une probabilité d'interaction exaltée, bien qu’en passage unique, contrairement aux schémas de CQED. Plus spécifiquement, le projet NanoStrong réalisera: -Le design et la fabrication de guides à mode lent compatibles avec des atomes alcalins -La démonstration du piégeage d’atomes froids à proximité de la structure -La démonstration d’un couplage efficace entre les atomes piégés et les modes de ces structures -La réalisation d’un switch à photon unique reposant sur une réflexion conditionnelle après stockage d’une excitation collective Pour atteindre ces objectifs, le projet NanoStrong regroupe 3 partenaires académiques. Ils rassemblent les compétences et techniques complémentaires nécessaires à sa réalisation: optique quantique, physique atomique, nanophotonique et fabrication. En raison de la nature du projet, les partenaires travailleront naturellement en collaboration très étroite. NanoStrong fournira une boîte à outils originale permettant de combiner physique atomique, optique quantique et nanophotonique. Cette boîte à outils permettra de nouvelles réalisations exploitant des interactions fortes entre photons uniques.

Depuis le XIXème siècle, la thermodynamique classique a développé des outils pour exploiter le bruit thermique et en faire une ressource. Les moteurs thermiques convertissent la chaleur des bains thermiques en un travail utile et stockable, en exploitant les transformations thermodynamique de substances actives telle qu'un gaz. Réciproquement, l'irréversibilité quantifiée par la production d'entropie mesure notre manque de contrôle sur le bruit, mettant une limite fondamentale au rendement d'un moteur thermique. Finalement, l'information sur l'état de la substance active peut être exploitée pour améliorer l'extraction de travail dans les dispositifs de démons de Maxwell. L'information apparaît comme une ressource qui peut être consommée pour produire de l'énergie et inversement, dont le codage dans les mémoires physiques coûte du travail. Récemment, la thermodynamique stochastique a étendu les concepts de chaleur, travail et de production d'entropie à de petites substances actives hors d'équilibre. Elle fournit un cadre adapté à l'étude de l'empreinte énergétique et entropique de l'information à l'échelle d'un bit unique, et pour évaluer les performances des nano-machines. Les théorèmes de fluctuation permettent notamment de dériver des bornes plus précises à l'extraction de travail et à la conversion énergie-information. La thermodynamique quantique vise à étudier les lois de la thermodynamique si les substances actives, les batteries et les bains sont des systèmes quantiques. Ce domaine émergent aborde des problèmes à la fois fondamentaux et pratiques, ainsi: quelles sont les causes de l'irréversibilité dans le régime quantique, et comment pouvons-nous la quantifier? La cohérence quantique est-elle une ressource énergétique à même d'améliorer les performances des moteurs quantiques? Quel est le coût énergétique associé au contrôle du bruit quantique, par exemple pour effectuer une rétroaction quantique? Qu-DICE apportera des réponses à ces questions, en profitant des plates-formes avancées de l'électrodynamique quantique en cavité. Nous aborderons expérimentalement et théoriquement les trois objectifs suivants: (i) Caractériser les transferts d'énergie, d'entropie et d'information entre des systèmes quantiques simples. Nous développerons une nouvelle génération de démons de Maxwell basés sur des atomes de Rydberg et des cavités supraconductrices. Nous mesurerons des théorèmes de fluctuation généralisés, permettant de mesurer les empreintes énergétiques et entropiques des corrélations classiques et quantiques. (ii) Démontrer l'extraction de travail à partir de la cohérence quantique en concevant et en réalisant un nouveau type de moteur quantique à l'état solide. Le moteur consistera en une boîte quantique couplée à une cavité optique, extrayant le travail d'un bain hors d'équilibre. L'extraction de travail à partir de la cohérence est encore un problème ouvert. Une démonstration expérimentale montrant des signatures quantiques claires serait une première. (iii) Dériver les limites fondamentales reliant l'extraction du travail et l'information dans les scénarios véritablement quantiques étudiés dans Qu-DICE, permettant d'élaborer les figures de mérite pertinentes pour nos moteurs. Ultimement, cette étude fournira des outils nouveaux pour évaluer le coût énergétique d'une boucle de rétroaction élémentaire. En mesurant les empreintes énergétiques et entropiques de la cohérence quantique et de l'intrication dans les expériences fondamentales, Qu-DICE apportera une démonstration frappante de l'importance de la thermodynamique quantique pour les technologies quantiques. Il ouvrira la voie à une énergétique du contrôle et du traitement de l'information quantiques. Dans la quête actuelle de mise à l'échelle les processeurs quantiques, le développement de tels outils est appelé à devenir stratégique pour évaluer les futures architectures de calcul quantique.

Les matériaux dont les électrons sont fortement corrélés exhibent des phénomènes non-conventionnels, avec des applications déjà existantes et de grandes potentialités. Un impact sociétal important est attendu de la compréhension quantitative des mécanismes microscopiques sous-jacents, car cela ouvrirait la voie à l’ingénierie quantique de matériaux présentant de nouvelles propriétés. Toutefois, une difficulté majeure tient à la complexité des matériaux fortement corrélés existants. De plus, même les Hamiltoniens à N-corps simplifiés qui sont utilisés pour modéliser ces matériaux ne peuvent souvent pas être résolus complètement. L’utilisation de simulateurs quantiques constitue une puissante stratégie pour dépasser les barrières théoriques et expérimentales. Le projet consiste à développer, exploiter et analyser des simulateurs quantiques pour l’exploration expérimentale et la compréhension théorique d’une large gamme de phénomènes fortement corrélés et de criticalité quantique, y compris ayant des implications technologiques. Dans ce but, de nouveaux simulateurs quantiques basés sur des circuits électriques seront nano-fabriqués et ajustés in-situ pour présenter une grande variété de transitions de phase quantique continues, et pour émuler la physique corrélée des systèmes 1D en interaction. Des nano-circuits ajustables par effet de champ seront conçus pour permettre une comparaison quantitative, sans aucun paramètre ajustable, avec les prédictions analytiques et numériques. Dans les régimes hors de portée de la théorie, ces dispositifs constitueront de véritables simulateurs quantiques au sens le plus fort. Atteindre ce régime dit de suprématie quantique, ce que nous visons dans ce projet, constitue la justification principale du domaine de recherche consacré à simulation quantique. Par la combinaison avec des développements théoriques, notre but est d’avancer la compréhension de modèles centraux connectés aux fermions lourds, aux supraconducteurs haute Tc et aux conducteurs 1D en présence d’interactions. Nous nous attendons à mettre à jour de nouveaux phénomènes non-conventionnels lors de l’exploration de régimes fortement corrélés jusque-là vierge de toutes investigations expérimentales. Une récente illustration est l’observation par les partenaires 1 et 2 d’une conductance super-balistique, plus élevée que la limite quantique pour les électrons libres, qui n’avait pas été anticipée. Afin d’établir la compréhension la plus complète, cette physique sera abordée à travers une large palette d’approches tirant parti du remarquable arsenal de techniques expérimentales (transport électrique et de chaleur, fluctuations, réponse haute fréquence, températures ultra basses…) et théoriques (théorie des champs conformes, groupe de renormalisation, bosonisation…) à la disposition du consortium. Le projet est structuré en deux grands objectifs : O1) Criticalité quantique dans les modèles de type Kondo généralisé. Dans ce contexte, une compétition pour écranter le spin de l’impureté Kondo donne lieu à des transitions de phase quantiques de natures profondément différentes. O2) Physique fortement corrélée des conducteurs 1D (liquides de Tomonaga-Luttinger et au-delà) avec des circuits mésoscopiques dissipatifs. Le projet est d’étudier la physique 1D avec des circuits permettant de la simuler quantiquement. Simultanément, l’objectif est d’avancer la compréhension des lois quantiques du transport dans de tels circuits quantiques composites.

Les absorbeurs dans les cellules solaires doivent remplir un certain nombre d'exigences pour une haute performance: Bande interdite appropriée, mobilité élevée des porteurs de charge et durée de vie, travail de sortie aux interfaces appropriée pour adapter le transport des charges à travers les couches, et une conception appropriée pour la récupération de la lumière. Afin d'éviter la recombinaison des porteurs de charges, les semi-conducteurs classiques nécessitent une purification particulière des cristaux afin de limiter les défauts ponctuels et étendus à de très faibles concentrations. Récemment, nous avons montré que les performances exceptionnelles des nouveaux absorbeurs à base de perovskites d'halogénure sont partiellement dues à des effets d'écrantage diélectrique. La compétition entre la formation classique des polarons à base de phonons et l'écrantage dipolaire diélectrique permet aux porteurs de charge (électrons et trous) de se propager sur de très longues distances dans le cristal sans formation de petits polarons (états profonds dans le bandgap) et avec une interaction négligeable avec les défauts ponctuels existants (lacunes ou atomes étrangers). Notre projet concerne le transfert de ce résultat à des pérovskites d'oxydes que sont les ferroélectriques relaxeurs, dans lesquels deux mécanismes polaires indépendants existent. Les nanorégions polaires (PNR) ainsi que l'écrantage classique de polaron de Fröhlich fournissent des mécanismes d'écrantage indépendants. Nous escomptons que des performances photovoltaiques similaires à celles des halogénures peuvent être atteintes avec une durée de vie et une stabilité améliorées via ces relaxeurs. Le projet vise à moduler la bande interdite des systèmes relaxeurs existants vers l'optimum pour le spectre solaire (environ 1,3 eV). Le candidat relaxeur prometteur identifié est PbFe0.5Nb0.5O3 (PFN) qui possède une bande interdite d'environ 1,0 eV. Le polyvalence chimique des pérovskites nous permettra d'adapter le bandgap et le travail de sortie par dopage (solution solide) cationique. Cette conception simple du matériau nous permettra le développement d'une cellule solaire à base d'une hétérojonction (graduée) contenant une couche absorbante de PFN et des couches adjacentes de PFN dopé avec des niveaux d'énergie correctement alignés, obtenant ainsi des cellules avec une absorption efficace des photons ainsi qu'une extraction optimale des charges. Les efforts dans la réalisation des couches minces et l'ingénierie des cellules seront continuellement accompagnés d'une étude de la structure de bande, des propriétés structurales et des dynamiques des porteurs de charge. Ainsi, d'une part, nous allons réaliser de nouveaux développements techniques pour les cellules solaires à hétérojonction et, d'autre part, enrichir les connaissances sur les relaxeurs comme matériaux photovoltaiques, ce qui sera d'intérêt pour la grande communauté de la physique de l'état solide. Les équipes ont acquis une expertise dans l'étude de l'effet photovoltaïque dans les matériaux pérovskites et la fabrication de cellules solaires. Ils ont également une solide expérience dans l'étude des relaxeurs et des ferroélectriques en général. Une collaboration étroite entre les équipes a été établie au cours des 5 dernières années mettant à disposition une multitude d'expertises complémentaires nécessaires au succès du projet: synthèse de nanoparticules, préparation de couches minces, développement de cellules solaires, caractérisation structurale,mesures de propriétés fonctionnelles à l'échelle macroscopique et locale, spectroscopie diélectrique et Raman.

In AlienScenarios, we will evaluate for the first time the range of plausible futures of biological invasions for the 21st century. We will use complementary data and approaches, and different measures of impacts of biological invasions. AlienScenarios consists of seven highly integrated complementary subprojects: In Work Package I (WP I) we develop the qualitative narratives for plausible futures of global alien species spread in the 21st century – the Alien Species Narratives (ASNs). The ASN further serve as overarching concept to parameterize quantitative models of global (WP II, III), continental (WP IV) and regional (WPs V, VI) futures of biological invasions. In WP II, we will establish the first global mechanistic invasion model considering all relevant processes of biological invasions such as source pools, driver dynamics, and establishment rates. In WP III, we will assess the impacts of invasive alien species in terms of economic costs according to the different Alien Species Narratives developed in WP I. In WP IV, we will assess the consequences of different levels of implementation of the European Union Regulation on invasive alien species. In WP V, we will analyse changes of the functional composition of communities in mountain regions under different scenario storylines. In WP VI, we will extend the analyses to the Global South using Panama as a country-level case study. Finally, in WP VII the results of the other WPs will be synthesized, and the approach and results of AlienScenarios will be discussed with and communicated to stakeholders and the wider community. For doing so, we will establish an Advisory Board that will meet three times for two-day workshops, and we will actively use a range of dissemination and outreach activities. AlienScenarios will provide crucially needed insights for pro-active alien species management and policy. It will thus make an important contribution to global assessments and projections of biodiversity and ecosystem services, as well as regional policies (e.g. EU regulation on invasive alien species).

The Arctic is currently experiencing some of the globally most dramatic ecosystem changes due to climate warming and increased anthropogenic pressure, with important implications for biological conservation and its inhabitants. Indigenous Arctic and Subarctic communities, whose livelihoods are closely linked to their environment and who directly depend on the herding and hunting of large herbivores, will have to adapt to the effects of climate warming and vegetation changes. Building relevant scenarios requires understanding the relative roles of climate, herbivory and increased anthropogenic pressures as large-scale drivers as well as on local scales relevant to the communities. We will conduct a comprehensive inter- and transdisciplinary study using sedimentary ancient DNA, current ecological observations and anthropological investigations of indigenous peoples’ knowledge and interpretations. We will: 1. use DNA of plants, mammals and fungi from sediment cores to identify local biodiversity changes and vegetation shifts over large spatial (circumarctic) and temporal (Last Glacial Maximum until today) scale. 2. identify drivers of recent and historic biodiversity changes by comparing contemporary and past effects of herbivory, anthropogenic impacts and climate change on a circumarctic spatial scale and integrate them in climatic niche models to forecast future changes. 3. chronicle indigenous and local knowledge (ILK) of biodiversity changes and their drivers, and of the role of societal practices/human choices in shaping and adapting to changes in four separate Arctic areas. 4. build scenarios based on the outcomes of 1-3 in an iterative process with local stakeholders. Our study will bring together the perspectives of local communities and scientific data acquisition throughout the project. This will allow us to investigate ecosystem shifts and build scenarios of transformations of biodiversity and ecosystem services that are of immediate stakeholder relevance.

Les hydrosilanes et hydroboranes sont des réducteurs de choix pour la réduction de liaisons C-O dans des dérivés issus de la biomasse mais aussi pour la conversion du CO2 et du CO. Pourtant ces réactifs ne sont pas durables car leur préparation est énergivore et leur utilisation conduit à la formation de sous-produits oxydés. Le but du projet RecyclingSiB est d’élaborer de nouveaux réducteurs borés et silylés, accessibles à un coût énergétique contrôlé et de les utiliser dans de nouvelles transformations catalytiques de réduction du CO, CO2 et de déchets plastiques et issus de la biomasse. Au croisement entre la chimie de coordination, la chimie de synthèse des éléments du groupe principal et la catalyse, le projet RecyclingSiB permettra de proposer des voies de valorisation innovantes de composés renouvelables. Il permettra en outre d’ouvrir de nouvelles opportunités en chimie du bore et du silicium.

Cette demande d'ANR MRSEI vise à soutenir le montage d'un projet européen de type "RIA" qui vient de passer la première étape de sélection avec les notes maximales pour les deux critères retenus pour cette étape: "Excellence" et "Impacts". Nous avons traduit ici le résumé du projet européen intitulé PROCCOPE pour "PROcesses of Climate change: COnstraints from Past Events". L'aide demandée vise 1/ à consolider notre "External Advisory Board" et le lien avec les utilisateurs des résultats produits par le projet; 2/ à financer une relecture du projet des points de vue scientifique et de la langue pour s'assurer d'avoir les meilleures chances d'obtenir le financement. PROCCOPE (Processus de changement climatique, contraintes des événements du passé) rassemble des experts en développement de modèles climatiques, en application de ces modèles aux climats du futur, aux paléoclimats et paléoenvironnements. Notre approche se base sur le fait que les enregistrements physiques (e.g. isotopes des carottes de glace) et environnementales (e.g. niveaux de lacs, végétation) des climats et transitions climatiques du passé sont autant de preuves directes du rôle de processus-clefs du Système Terre pour les changments climatiques et environnementaux. PROCCOPE se focalisera sur les latitudes extra-tropicales de l'hémisphère Nord et l'Arctique et s'appuiera sur des changements climatiques passés bien documentés qui sont d'aussi grande amplitude, et parfois aussi rapides, que les changements prévus pour le proche futur. En exploitant les différentes sensibilités et résolutions temporelles des indicateurs paléoclimatiques, PROCCOPE a pour objectif de quantifier l'importance de processus spécifiques dans l'atmosphère, l'océan, la banquise, les surfaces continentales et les aérosols pour différents états climatiques et les liens possibles entre ces changements climatiques passés et la variabilité à cour-terme et les extrêmes observés actuellement. Les modèles climatiques actuels (CMIP5) sont capables de simuler les climats passés dans leurs grands traits mais sont loin d'être systématiquement capables de représenter des changements climatiques passés à l'échelle régionale. L'objectif de PROCCOPE est donc d'identifier les processus en jeu dans ces désaccords profonds entre résultats des modèles et données paléoclimatiques, et proposera de nouveaux développements pour améliorer leur représentation dans chaque composante des modèles de Système Terre, testera ces développements sur les climats actuels et passés, de manière à améliorer les modèles couplés du Système Terre et leurs projections pour le futur. Nous proposons donc une nouvelle méthodologie basée sur le benchmarking systématique des modèles pour une large série de climats documentés par des données et pour des transitions climatiques. Nos grands objectifs sont: (a) prouver que nous pouvons expliquer les grands changements climatiques passés en termes de processus-clés opérant dans le système climatique, (b) identifier les processus-clés affectant la performance des modèles climatiques pour un large panel d'états climatiques et implémenter ces processus dans les modèles utilisés pour les projections climatiques et (c) apporter une connaissance plus approfondie et des modèles environnementaux au secteur des études d'impacts du changement climatique.

Le projet Relev vise à développer une méthodologie transdisciplinaire intégrant des compétences en risques naturels (géographie, génie civil, géologie), aménagement du territoire (urbanisme, architecture) et sciences humaines (psychologie, sociologie, histoire), pour permettre d’améliorer la gestion de la reconstruction des territoires à la suite de catastrophes naturelles. Les enjeux de ce projet sont (1) d’élaborer une méthode visant à anticiper la gestion de la reconstruction post-catastrophe à l’échelle territoriale, et (2) de définir les modalités d'intégration des risques naturels au sein des processus d'aménagement des territoires permettant un développement économique et durable. Notre objectif est de s’appuyer sur une l’approche intégrée novatrice pour contribuer à l’émergence de nouveaux savoirs sur l’efficacité des stratégies de reconstruction post-catastrophe et de renforcer de manière cohérente la résilience des territoires face aux catastrophes naturelles, et par là même l’adaptation au changement climatique. Nous proposons de décloisonner les recherches menées sur la résilience et l’adaptation aux risques naturels pour mettre à disposition des décideurs locaux et professionnels de l’aménagement urbain et de la construction des outils intégrés d’aide à la conception de la ville durable et sécurisation du fonctionnement urbain face aux catastrophes naturelles. L’hypothèse centrale de ce projet est que la reconstruction d’un territoire sinistré suite à une catastrophe naturelle représente une fenêtre d’opportunité temporelle afin de réaménager durablement le territoire sinistré de manière plus résiliente vis-à-vis de futurs événements. Il convient désormais de créer les conditions pour que cette fenêtre soit exploitée. L’équipe du projet Relev part du principe que la première condition sine qua non est l’anticipation de la gestion de cette période. Dans cet objectif, elle développe une approche intégrée et transdisciplinaire autour de 3 volets : (1) Un état de l’art visant à caractériser la diversité des pratiques de reconstruction post-catastrophe d’un territoire, Le consortium scientifique engagera un effort particulier sur la mise en place de retours d’expériences post-catastrophe pluridisciplinaires sur les îles de Saint-Martin et Saint-Barthélemy fortement impactés par le cyclone Irma, (2) L’élaboration d’un diagnostic des conditions de reconstruction locales post-catastrophe, (3) Le développement d’une méthode d’aide à la planification des stratégies de reconstructions des réseaux.

The objective of ADAPT-HERD is to develop management simulation tools to implement innovative strategies for resilience and efficiency (R&E) in small ruminants herds, based on harnessing animal adaptive capacities. These tools will address a wide range of current feed resource constraints in the Mediterranean area (Egypt, France, Spain and Tunisia) and the future perturbations induced by climate change. The locally tailored management solutions will improve the ability of livestock systems to adapt to climate change by: i) managing early-life nutrition to safeguard adult adaptive capacities; ii) managing reproduction to find the best match between feed supply and herd demand; iii) tailoring group feeding strategies depending on animals’ adaptive capacities and iv) managing herd demography with replacement and culling to adjust feed demand. To achieve this, ADAPT-HERD brings together information from animal and herd levels with: i) a fine-grained experimental approach (adaptive mechanisms and trade-offs); ii) field phenotyping of local breeds (adaptation to local conditions) and iii) local production environment characterization. These multi-level information will be used to develop computer models and test scenarios. Interfacing and disseminating project’s deliverables as a user-friendly toolbox will be achieved with a participatory modelling framework. The toolbox will help to adapt agricultural practices to change in resource availability by proposing different technical solutions of herd management aimed at facing feed resource perturbations induced by climate change. The challenge is not to find an optimal strategy for R&E, but to explore how management strategies impact the relationship between R&E. These strategies will be grounded in a deep understanding of how local breeds adapt to feed resource constraints. They will be complementary to on-going projects that focus on genetic selection and breeding solutions to improve R&E in small ruminants.

The development of quantum simulation lacks compact on-chip scalable platforms. The recent demonstrations of polariton lattices in semiconductor microcavities, in combination with their extraordinary nonlinearities, place polaritons as one of the most promising candidates to achieve this goal. The aim of this proposal is to implement polariton lattices in semiconductor microcavities as a photonic-based solid-state platform for quantum simulation. The polariton platform will allow for the engineering of the lattice geometry and site-to-site hoping, injection and detection in individual sites, sensitivity to magnetic fields, and scalability due to the low value of disorder. The driven-dissipative nature of the system opens the exciting possibility of studying out-of-equilibrium strongly correlated phases, but it also calls for new theoretical methods. We will join the expertise in semiconductor technology of four experimental groups and the input of two theoretical groups to push polariton nonlinearities into the strongly interacting regime. We plan on implementing the first polariton simulators by studying quantum correlations in few coupled resonators, and the topological properties of 1D and 2D dissipative lattices, both experimentally and theoretically. This project will provide the first quantum simulation platform using scalable lattices at optical wavelengths. This project aims at the development of the world-first polariton quantum simulator, an entirely new platform for Quantum Simulation. Therefore, it is directly relevant to the second Targeted Outcome of the call. The new platform will enter the strongly correlated regime, thus enabling simulations of some of the most fundamental strongly interacting quantum models. In contrast to other platforms, it will operate on-chip and at optical wavelengths, which will make it also applicable for Quantum Communication technologies (the first Targeted Outcome of the call). The proposed research also incorporates the development of new strategies for the verification of quantum simulations (the second Targeted Outcome). In parallel to experiment we will research theoretical methods for dissipative strongly interacting systems. This will lead to the development of new techniques applicable to non-equilibrium strongly correlated systems, which are still very limited. Our methods will be verified by comparing them directly with the experimental data.

We bring together researchers on quantum information theory, Bose-Einstein condensates and atom interferometry to create and detect entanglement of large, spatially separated samples. Our purpose is both to gain a deeper understanding of of quantum information in many body systems as well as to develop practical approaches for manipulating and exploiting it. The ultimate goal is to enhance the performance of a separated path atom interferometer using entangled samples. Atomic interactions in BEC's consititute a non-linearity highly analogous to four wave mixing or parametric down conversion in optics, and which can be exploited to create entanglement. Two separate lines of research have been pursued in the past; on the one hand one can use the spin degrees of freedom of an atom to produce atom pairs whose spins are entangled, and on the other one can entangle the motional degrees of freedom in a spirit close to that of the original EPR proposal. In the CEBBEC project, these two lines of research will be brought together in both the technological sense (using one kind of entanglement to make another) and conceptual one (studying complex situations in which both spin and motion are entangled) giving rise to new possibilites for applications and new theoretical challenges. The participating partners have developed sophisticated detection technologies which allow us to make new types of mesaurements. We intend to respond to the great need for theoretical work to understand and exploit them. Finally, we will address practical applications and explore their metrological validity. The EU's Future and Emerging Technologies agenda aims to foster transformative research in quantum information science by coordinating efforts of different research communities. Our project aims to bring together two separate lines of research in which European groups have been leading players and to exploit the common ground that they share. We plan to combine the manipulation of atomic spins and of motional degrees of freedom. The present project will develop a unified approach in both the technological sense (using one kind of entanglement to make another) and conceptual one (studying complex situations in which both spin and motion are entangled) giving rise to new possibilities for applications and new theoretical challenges. We plan to optimize the extraction of relevant information from (entangled) physical systems as discussed in the Target Outcomes of the Call Announcement. In this context, we may go even farther and achieve new or radically enhanced functionalities with our research.

Summary of the project --------------------------------- Today, photonics is among the very few platforms that can reach very high levels of complexity in quantum communication, computation and sensing. This is made possible by the mobility of photons and the large variety of their controllable degrees of freedom. The quantum optics community has already obtained spectacular achievements, yet using quite inefficient sources and bulk optics, limiting the number of particles involved, the explored Hilbert space dimension and the fidelity of the protocols. Very recently, a new generation of single-photon sources and high complexity integrated optical circuits have emerged, promising to drastically scale up quantum optical technologies. In this project, experts in solid-state single-photon sources, integrated photonics, quantum optics and complexity theory join their expertise to develop a whole new platform to perform high-fidelity quantum protocols, involving a large number of particles (>8) and large number of modes (>40) in high-dimensional Hilbert spaces (10^8). We will develop near-optimal single-photon sources based on semiconductor quantum dots, and couple them to highly reconfigurable two- and three-dimensional photonic glass chips to implement multi-photon multi-mode quantum walks. With this new platform, we will implement high photon-number Boson sampling measurements, develop new certification protocols and head toward the threshold for quantum advantage. The platform will also be used to demonstrate new secure quantum computation schemes such as homomorphic encryption, and quantum communication tasks based on so-called quantum enigma machines. The richness of applications for our developed photonic platform will be further demonstrated by new advanced metrology tasks that enable simultaneous multi-parameter estimation. Our interdisciplinary consortium and work methodology gives us the ideal condition to tackle these challenges and thus to establish a new generation of photonic quantum platforms. --------------------------------- Relevance to the topic addressed in the call --------------------------------- This project is perfectly aligned along the research targeted by the Quantera call. In HiPhoP, we will conduct highly collaborative advanced multidisciplinary science and cutting-edge engineering with dedicated aim to initiate new lines for optical quantum technologies. This is a unique area where Europe has a full potential to grasp leadership early on, gathering many leading groups, in particular those joining their efforts in this project. The present project strongly contributes to Quantum communication, Quantum Computation and Quantum metrology efforts, by developing novel photonic sources for quantum information processing and quantum-enhanced measurements as well as integrated quantum photonics. We propose new methods, tools and strategies to deal with the issues of reliability, efficiency and robustness in particular with respect to quantum communication. Our platform will also be used to demonstrate a quantum speed-up of quantum computation on chip. Finally, we will contribute to quantum information science and metrology by developing new detection schemes that are optimised with respect to extracting relevant information from physical systems and propose methods for the reconstruction and estimation of complex quantum states or channels and certification of their properties.

The development of "fault tolerant" quantum computation, unaffected by noise and decoherence, is one of the fundamental challenge in quantum technology. One of the approaches currently followed is the realization of "topological protected" qubits which make use of quantum systems characterized by a degenerate ground state composed by collective composite particles, known as "non-Abelian anyons", able to encode and manipulate quantum information in a nonlocal manner. An example of such non-Abelian anyons are Majorana zero energy modes (MZMs), which have been reported in NbN/InSb/NbN hybrid junctions composed by a InSb semiconducting nanowire (characterized by large spin orbit coupling) proximised by NbN s-wave superconducting leads. Here we propose two-dimensional oxides (2D-oxides) as an innovative technological platform for the realization of topological quantum systems. Our idea is to exploit the unique combination of unconventional Rashba spin-orbit coupling (SOC), 2D-magnetism, superconductivity (SC) and high-mobility in the 2D electron gas (2DEG) at the interface between oxide insulators, as for instance LaAlO3 (LAO) and SrTiO3 (STO). The basic element of this technology is a quasi-one dimensional nano-channel, whose properties can be locally tuned using electric field effect to create both topological and non-topological superconducting sections, and metallic or even insulating tunnelling barriers. This platform has all the characteristics for the practical realization of theory-based proposals for topological quantum computation, and important fundamental and technological advantages. 2D-oxides technology allows a top-down approach for nanodevices realization fully scalable to complex systems including a large number of qubits. All the ingredients necessary for creating, manipulating and braiding zero energy Majorana modes can be realized using the same material and incorporated in the device layout in a seamless way. Moreover, the strong sensitivity of the LAO/STO 2DEG to the orbital splitting and occupation of the non-degenerate 3dxy and 3dxz,yz bands, allows the realization of a topological quantum electronics controlled by the orbital degrees of freedom. Our project is aimed at establishing oxide 2DEGs as a viable platform for the realization of topological quantum computers, thus launching a new technological approach to the realization of "fault tolerant" quantum computers. QUANTO project is committed to the realization and study of a novel technological platform, based on the oxide nanotechnology, for topological quantum computation in the area of quantum computation and quantum information science (areas 2 and 3 of the call). Moreover, QUANTO project will introduce novel ideas and methods in quantum science and technologies (area 3), by demonstration of braiding in non-abelian systems using the orbital control of the superconducting order parameter and of the Rashba spin-orbit coupling. This new method relies on the strong sensitivity of oxide 2DEGs to the orbital of degrees of freedom, i.e. to the orbital splitting and occupation of 3d-orbitals derived bands. The development and implementation of quantum-gates based on the oxide technology will have several expected impact on the QUANTERA call: (i) establish the fundaments of a new technological platform for the realization of topological quantum computers which promise robustness in the presence of environmental decoherence due its " fault tolerant" nature; (ii) enhance scalability of quantum information technology to multi-qubits operation by providing a nanotechnology process based on thin-film growth and top-down lithography; (iii) realization of industrially relevant device technology through an interdisciplinary approach combining materials science and device physics with quantum information. Possible future on-chip integration with semiconducting technology and RSFQ electronics will also be considered.