Projets

Le projet OXYGENE vise à développer une nouvelle génération de cellules photovoltaïques (PV) en silicium cristallin (c-Si) à homojonctions (HMJ) pour atteindre des rendements de conversion = 23% sur grande surface. La technologie HMJ représente aujourd’hui la grande majorité de la production au niveau mondial, et son amélioration repose sur deux axes principaux : 1/ L’utilisation de contacts dits « passivés » sur jonctions ultra-minces, afin de réduire les pertes par recombinaisons des porteurs de charge dans les zones dopées et à l’interface métal/silicium. 2/ La bi-facialité des dispositifs, permettant d’améliorer la production d’électricité par rapport à des cellules standard. Afin de répondre à ces deux enjeux, le projet OXYGENE est focalisé sur l’étude d’oxydes fonctionnalisés qui permettront d’atteindre des contacts passivés, transparents, avec des procédés industriels. Des équipements français semi-industriels seront ainsi utilisés: des dépôts par ALD (Atomic Layer Deposition) d’oxydes fonctionnalisés (passivants et conducteurs) d’une part, le dopage des jonctions ultra-minces en implantation ionique par immersion plasma (PIII) d’autre part. Le projet OXYGENE permettra donc d’explorer différentes voies pour obtenir des contacts passivés ET transparents, afin d’obtenir des cellules PV bi-faciales à haut rendement (= 23%) innovantes et industrialisables. Le projet OXYGENE sera organisé en 7 Tâches distinctes et implique 6 partenaires (CEA-LITEN INES, INL, GEEPS-IPVF, LMGP, IMEP LAHC, ENCAPSULIX). Chaque partenaire du projet sera responsable d’une tâche et veillera donc au bon déroulement du programme de travail associé. Une première tâche est dédiée à la coordination du projet et la valorisation des résultats obtenus. Trois tâches (T4, T5, et T6) sont dédiées au développement des briques technologiques nécessaire à l’obtention de cellules de seconde génération. Les études de modélisations et caractérisations nécessaires à l’ensemble des travaux font l’objet de deux autres tâches (T2 et T3). Enfin, l’ensemble des avancées seront transférées et validées sur des procédés de dépôt industriels par l’entreprise Encapsulix dans la tâche 7. Ce projet aura différents impacts, au niveau sociétal pour commencer, avec l’amélioration des outils de production d’électricité renouvelable qui est incontournable pour répondre aux problématiques de l’accès à l’énergie et du réchauffement climatique. La réussite de ce projet ambitieux par ses objectifs permettra de mettre en valeur la recherche et des entreprises françaises en Europe et dans le monde. Au niveau scientifique, deux technologies seront mises en valeur dans ce projet. La première, développée par Encapsulix et basée sur l’ALD, sera utilisée pour la fabrication des électrodes innovantes du projet. La deuxième est l’implantation par immersion plasma (PIII), qui permet de réaliser des jonctions ultra-minces. Dans cette perspective, le LHMJ du CEA/LITEN vient d’acquérir le tout premier équipement industriel de PIII dédié au photovoltaïque, développé par l’équipementier français IBS (Ion Beam Service). Les retombées de ce projet seront donc importantes à différents niveaux, d’abord en termes de valorisation par des publications scientifiques, dépôts de brevets et communications des partenaires industriels. Ensuite, la collaboration entre les différents partenaires dans le domaine des contacts passivés et des oxydes fonctionnalisés pour le PV, avec les caractérisations associées, permettra de mettre en commun des connaissances et des équipements scientifiques de haut niveau. Au niveau économique, la technologie développée par Encapsulix sera ainsi testée et valorisé pour la fabrication de cellules solaires innovantes ainsi que le bâti d’implantation par immersion plasma Pulsion Solar de l’équipementier français IBS.

Dans les zones urbaines, la part de l’énergie électrique consommée pour l’approvisionnement en eau et l’assainissement peut atteindre jusqu’à 18%. Au sein des stations d’épuration, l’aération des bassins biologiques pour le traitement de la matière organique et azotée demeure le principal poste de consommation énergétique (jusqu’à 75% de la dépense électrique générale de la station). Aussi, le développement d’alternatives aux procédés conventionnels est essentiel afin de réduire l’impact environnemental de ces unités de traitement. Dans cet objectif, les procédés électro-microbiens représentent une technologie d’avenir pour le traitement et la valorisation des déchets, basée sur la catalyse de réactions électrochimiques par des biofilms microbiens à la surface d’électrodes. Parmi ces technologies, le tuba électro-microbien (BIOTUBA) se distingue des autres par une mise en œuvre plus simple qui permet d’envisager à court-terme son implantation dans les filières existantes. Il consiste à mettre une bio-anode et une (bio-)cathode en court-circuit en disposant un matériau conducteur le long d’un gradient d’oxydo-réduction. Les performances de dégradation de la matière organique s’avèrent améliorées et des économies d’énergie substantielles peuvent être envisagées du fait de la diminution des besoins en aération. De plus, l’implantation de cette technologie pourrait répondre à d’autres enjeux du traitement des eaux (contrôle de procédés, réduction de la production de boues et traitement des micropolluants). Un certain nombre de verrous scientifiques et techniques restent à lever avant d’envisager l’implantation de telles technologies à l’échelle industrielle. Le coût des électrodes, due aux matériaux utilisés pour leur conception, est notamment un frein au changement d’échelle. De plus, des recherches doivent être menées afin de permettre la compréhension et d’envisager l’optimisation des tuba électro-microbiens en précisant à la fois les processus électrochimiques et microbiens régissant les performances de cette technologie. Le projet BIOTUBA a pour objectif de lever les verrous scientifiques et techniques liés à l’implantation de la technologie de tuba électro-microbien à l’échelle industrielle par le biais d’une approche transdisciplinaire et multi-échelle. Le programme scientifique du projet est divisé en trois tâches principales : (i) Réalisation d’études à l’échelle laboratoire pour comprendre et optimiser le fonctionnement du BIOTUBA en se focalisant sur l’utilisation de matériaux recyclés à faible coûts et de l’application à des matrices réelles (WP1) ; (ii) Développement et l’utilisation des outils de modélisation pour le dimensionnement des électrodes le constituant et de leurs implantations dans les réacteurs industriels (WP2) ; (iii) Caractérisation de l’ensemble des impacts énergétiques et environnementaux liés à l’implantation de cette technologie par le couplage d’une analyse de cycle de vie et d’expérimentations à l’échelle semi-industrielle (WP3). Le développement du BIOTUBA sera basé sur la connaissance précise des mécanismes électrochimiques et biologiques mis-en-jeu afin d’optimiser son fonctionnement et le maintien de ses performances au cours du temps. La mise en œuvre à l’échelle semi-industrielle permettra de caractériser son comportement et les impacts induits à une échelle représentative et ainsi de valider les choix technologiques. La valorisation économique sera supportée par 6TMIC, partenaire du projet. Le projet rassemble un institut de recherche appliquée (Irstea-HBAN), un laboratoire universitaire (LGC), l’entreprise industrielle publique de gestion et traitement des eaux résiduaires urbaines de l’agglomération parisienne (SIAAP) et une PME spécialisée dans le développement de procédés innovants et le transfert de technologie (6TMIC).

ALCACAT réunit deux équipes complémentaires de l’Université de Rennes 1 (Dr. Y. Sarazin (coordinateur), Prof. J.-F. Carpentier, DR. E. Caytan) et de l’Université Paris-Sud à Orsay (Prof. V. Gandon, Dr. C. Bour, Dr. D. Leboeuf). Le projet est centré sur l’ingénierie catalytique au travers de la chimie de coordination des métaux alcalino-terreux larges (Ae, où Ae = calcium, strontium et baryum) et la fonctionnalisation des liaisons Csp3–O en catalyse homogène. Le but est à terme de produire des composés de chimie fine à partir d’une famille de réactions clés : le couplage de–alcools avec les acides boriniques, la synthèse de cyclopentenones et de pyrroles, la synthèse totale de santarubin A, et la dépolymérisation de la lignine. L’une des premières ambitions est de synthétiser des composés alcalino-terreux de types nouveaux, par exemple des complexes cationiques et des hydrures, dont on peut s’attendre à ce qu’ils soient très réactifs. Ils seront ensuite utilisés comme catalyseurs pour des procédés catalytiques dans lesquels la fonctionnalisation de liaisons Csp3–O est une étape clé vers la formation de produits à haute valeur ajoutée. Pour les réactions ciblées, des catalyseurs moléculaires (homogènes) spécifiques à l’acidité de Lewis facilement modulable seront également conçus. Ceci constituera un point d’entrée pratique et aux multiples avantages pour les différentes études en catalyse qui seront effectuées au cours du projet. Une multiplicité de stratégies de synthèse originales et indépendantes les unes des autres (toutes faisant appel aux compétences spécifiques de l’équipe rennaise) seront développées pour compléter avec succès les synthèses des différents catalyseurs, permettant ainsi de s’assurer que le projet n’atteigne jamais un point mort. Ensuite, concernant les aspects catalytiques, les quatre ensembles de réactions qui seront étudiées en détails par l’équipe d’Orsay impliquent toutes la fonctionnalisation de liaisons Csp3–O, et sont d’intérêt industriel et académique majeur. Il est en outre envisageable qu’elles conduiront à la formation de nouveaux processus et produits commercialisables. Ces réactions mettront en jeu la réactivité spécifique des catalyseurs alcalino-terreux à l’acidité de Lewis modulable. La diversité des différents types de catalyseurs indépendants qui seront utilisés pour ces études garantit les meilleures chances de succès. Les deux équipes, qui apporteront et combineront avantageusement leurs savoir-faire spécifiques pour garantir le succès d’ALCACAT, travailleront conjointement de manière collaborative et synergique. Le partenaire rennais a une large expérience dans le design et l’utilisation de catalyseurs homogènes, en particulier avec les métaux alcalino-terreux. L’équipe d’Orsay est reconnue pour ses compétences dans la conception et l’étude de processus catalytiques originaux, catalysés en particulier par des complexes et des sels des métaux du groupe principal. Les recrutements d’un doctorant (à Rennes) et d’un chercheur postdoc (à Orsay), pour une enveloppe financière globale de 380,000 € (frais d’environnement inclus) sont requis pour ce projet de 42 mois. Il est à noter que des stages du doctorant et du postdoc dans les laboratoires des autres partenaires constitueront une partie intégrale du projet, de façon à optimiser la synergie et le transfert de compétences entre les deux partenaires et ainsi maximiser les chances d’accomplir les objectifs scientifiques.

La production de molécules à haute valeur ajoutée à partir de ressources biologiques implique souvent la transformation chimique des matières biosourcées, afin de permettre leur conjugaison à une plateforme moléculaire ou un médicament. L’apparition de techniques de conjugaison bioorthogonales et de l’ingénierie métabolique de glycanes offre de nouvelles opportunités d’élaboration de polysaccharides pour diverses applications industrielles. Ce projet interdisciplinaire vise à établir une preuve de concept utilisant l’ingénierie métabolique de lipopolysaccharides. Cette méthode de marquage bactérien, que nous avons récemment développée, consiste en la mise en culture de bactéries en présence de sucres modifiés, comme l’acide 8-azido-3,8-didésoxy-D-manno-oct-2-ulosonique, conduisant à l’incorporation de ces sucres lors de la biosynthèse des polysaccharides de surface. Cette approche sera exploitée comme stratégie simple et rapide de production de nouveaux vaccins glycoconjugués bien définis ciblant le choléra, une maladie qui demeure une préoccupation sanitaire majeure et pourra être étendue à d’autres bactéries pathogènes telles que Klebsiella et Pseudomonas.

L'hydrogénation de sucres en polyols est le plus souvent menée sur des métaux nobles comme le ruthénium ou sur le nickel de Raney, et peu de travaux rapportent l’utilisation de métaux non nobles supportés. Or le cout des métaux nobles est élevé, leur abondance est faible, et à la fois leur cout et leur disponibilité sont sujets à de larges fluctuations. Des substituts aux métaux nobles devraient être trouvés dans la première ligne des métaux de transition, métaux particulièrement abondants et bon marché, mais susceptibles de se désactiver sous réaction ou, comme le nickel, d’induire des réactions secondaires d'hydrogénolyse. Dans ce contexte, le potentiel de combinaisons bimétalliques à base de fer mérite d'être pleinement exploré. Cependant, la balance hydrogénation/hydrogénolyse du catalyseur n'est pas simplement gouvernée par le ratio entre les deux métaux, mais aussi par leur degré d'association, i.e., en alliage ou ségrégés, un point crucial à prendre en compte pour un métal fortement sensible à l'oxydation comme Fe. La possibilité de synthétiser des nanoparticules bimétalliques à base de Fe de façon contrôlée apparaît limitée lorsque le catalyseur est préparé selon des méthodes standard, qui mènent à la coexistence de particules différant par leur taille, leur structure ou leur composition. En conséquence, aucune conclusion définitive ne peut actuellement relier la formulation et les propriétés catalytiques de systèmes à base de Fe, faute d'un contrôle efficace de la nature des particules à l'échelle nanométrique, conduisant à des difficultés d'interprétation, de reproductibilité, d'extrapolation et de rationalisation des résultats de catalyse. Le projet NobleFreeCat regroupe quatre équipes universitaires avec des expertises complémentaires en synthèse de nanoparticules métalliques et catalyse (Unité de Catalyse et Chimie du Solide, Laboratoire de Chimie de Coordination, Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers, Laboratoire de Chimie Physique), pour développer des voies de synthèse extrapolables à grande échelle de nanoparticules supportées à base de Fe de taille, composition et ordre chimique contrôlés, pour être utilisées comme substituts peu onéreux aux métaux nobles dans l'hydrogénation catalytique des sucres. Trois systèmes dont l'activité en hydrogénation sélective a été récemment décrite dans la littérature seront explorés: Fe-Ni, Fe-Cu et les composés intermétalliques Fe-Al. Des catalyseurs supportés sur silice et zircone seront préparés par dépôt-précipitation, imprégnation en présence d’additifs organiques et méthodes par radiolyse. Des systèmes alliages ou cœur-coquille préparés par voie organométallique ou mécanochimie seront utilisés comme standards pour la détermination de la stabilité des alliages, pour la caractérisation structurale des systèmes supportés et pour les tests catalytiques. L'hydrogénation d'un monosaccharide, le xylose, en xylitol, et celle d'un disaccharide, le maltose, en maltitol, peu abordée au niveau académique mais d'importance pour l'industrie, seront testées en milieu aqueux sous conditions hydrothermales et en eutectiques profonds en l'absence d'eau. Une combinaison unique de techniques de caractérisation (diffraction et absorption des rayons X en mode in situ, cartographie STEM-EDX et -EELS à l'échelle subnanométrique, XPS/LEIS, spectroscopie Mössbauer) sera mise en œuvre pour surmonter la difficulté de distinguer des éléments contrastant peu en Z et pour sonder la composition de volume et de surface des nanoparticules à l'échelle individuelle, tout au long de leur cycle d'utilisation: réduction, réaction, exposition à l'air, régénération du catalyseur. L'établissement de corrélations entre voie de synthèse, composition chimique et activité catalytique permettra au consortium de poser les jalons vers un processus de maturation technologique, aidé en cela par la participation de représentants du producteur sucrier Tereos dans le comité de pilotage du projet.

La Nature est capable d’assembler des briques élémentaires simples pour produire de la complexité moléculaire et générer des produits naturels hautement structurés. Deux exemples notables sont la chalcitrine et la sclérocitrine, des pigments isolés de champignons communs et représentant un défi de synthèse ambitieux. Les hypothèses de biosynthèse émises font intervenir la condensation d’une forme oxydée de l’acide xérocomique via une cascade réactionnelle complexe. L’objectif global de ce projet est de développer une synthèse de ces édifices moléculaires en se basant sur une stratégie complètement biomimétique. En prenant avantage d’une séquence courte pour préparer l’acide xérocomique, l’assemblage biomimétique sera la tache centrale de ce défi. Ce projet de recherche fondamental en synthèse organique sera de réaliser la synthèse de molécules hautement complexes et de comprendre leurs voies de biosynthèse et leurs rôles écologiques. Dans un contexte d’écologie chimique, identifier les intermédiaires biosynthétiques et de nouvelles structures complexes à partir d’extraits des champignons producteurs. Ce projet est à l’interface de la chimie de synthèse, la biosynthèse et l’identification de produits naturels et sera mené dans l’équipe BioCIS (UMR-8076, faculté de pharmacie, coordinateur : Laurent Evanno) de l’université Paris-Sud.

L’objectif principal de ce projet est de développer la synthèse de nouveaux complexes phosphorés photo-réversibles, pour des utilisations en catalyse. En particulier, nous étudierons des procédés catalytiques connus pour nécessiter une activation bimétallique. Nous souhaitons démontrer que la lumière peut induire des changements de géométrie de ces complexes, ce qui peut moduler ou même, dans le meilleur des cas, induire une activation/inhibition (on-off) de l’activité catalytique. Ces catalyseurs photo-commutables sont d’un très grand intérêt pour le développement de systèmes multi-catalytiques séquentiels, inspirés par les cascades catalytiques des procédés biologiques naturels. De plus, ces nouveaux catalyseurs bimétalliques pourront apporter de nouvelles informations mécanistiques dans le cas de réactions impliquant une double activation métallique coopérative.

En plus de ses fonctions clés dans la synthèse des protéines et dans la régulation des gènes, de nouvelles propriétés des ARN sont constamment découvertes. Pour comprendre la biologie des ARN, il est nécessaire de développer de nouvelles méthodologies de synthèse pour modifier leurs structures. Notre objectif concerne la mise au point de méthodologies post-synthétique pour bi-fonctionnaliser des ARN et obtenir ainsi des ARN réactifs ou comportant des sondes permettant leurs détections et leurs purifications. Les réactions chimiques que nous allons utiliser seront la ligation de « Staudinger traceless » et un couplage pallado-catalysé de Suzuki-Miyaura. Ces réactions donneront la possibilité d'obtenir une grande variété d'ARN bi-fonctionnels qui présenteront un large intérêt dans l’étude de la biologie des ARN. Dans le projet, ces ARNt fonctionnalisés seront utilisés pour explorer l’interaction des ARNt avec les amino-acyltransférases de la famille Fem, enzymes qui catalysent une étape essentielle de la synthèse du peptidoglycane de la paroi de Staphylococcus aureus. Chez cette bactérie pathogène, une chaîne latérale penta-glycine est assemblée par trois transférases qui ajoutent séquentiellement un (FmhB) ou deux (FemA and FemB) résidus Gly. Un premier objectif sera de synthétiser un analogue stable Gly-tRNAGly contenant un fluorophore à diverses positions des boucles D et T de l’ARN. La synthèse s’effectuera à partir d’un azido-ARN, qui réagira via la ligation de Staudinger traceless, avec une phosphine comportant le motif glycine pour former une liaison amide. L'introduction du fluorophore sera basée sur le couplage de Suzuki-Miyaura entre un iodo-ARN et un acide boronique lié au fluorophore. Le précurseur iodo-azido-ARN sera obtenu par chimie des nucléosides suivie d'une étape de synthèse sur support solide et d'une ligation enzymatique. Les ARNt bi-fonctionnalisés seront utilisés pour étudier le mode de reconnaissance des iso-accepteurs spécifiques des Gly-tRNAGly qui participent préférentiellement à la synthèse du peptidoglycane plutôt qu’à la synthèse protéique. Des données préliminaires suggèrent que l'utilisation préférentielle d'iso-accepteurs est due à des interactions spécifiques entre les boucles D/T des ARNt et le domaine coiled-coil de FmhB. Pour explorer ces interactions, un quencher de fluorescence sera introduit à différentes positions du coiled-coil de FmhB. Une diminution du signal de fluorescence de notre ARN bi-fonctionnalisé sera observée si le fluorophore dans la boucle D/T est à proximité du quencher porté par FmhB. Notre méthodologie de post-fonctionnalisation donnera la possibilité de modifier facilement la position du fluorophore et du quencher. Un test basé sur le quenching de fluorescence sera développé pour déterminer l'affinité de FmhB pour des ARN non-marqués. Pour une deuxième application, un motif électrophile sera introduit à l'extrémité 3' de l'ARNt pour générer des liaisons covalentes avec des résidus du site actif de FmhB. Cette approche permettra d’explorer la réactivité des résidus catalytique de FmhB et également de produire des complexes stables ARN-FmhB pour une utilisation en cristallogenèse. Les ARNt électrophiles seront également utilisés comme sondes pour identifier des protéines inconnues qui interagissent avec le substrat ARNt de FmhB, telles que des enzymes de maturation d'ARNt. Une dernière partie du projet concernera la processivité de la transférase FemA, c'est-à-dire la capacité de l'enzyme à ajouter deux résidus Gly. Nous avons envisagé trois modèles pour cette réaction incluant le transfert séquentiel de Gly à la chaîne latérale en croissance ou à l'assemblage d'un motif Gly-Gly sur l'ARNt ou sur FmhB avant le transfert au précurseur du peptidoglycane. Pour étudier ces modèles, nous allons générer divers analogues Gly-ARNt stables, en particulier un analogue de Gly-Gly-tRNAGly.

Les anti-UV est un immense marché dans l’industrie cosmétique du fait de leur capacité à nous protéger des dommages du soleil. Malheureusement, ils sont aujourd’hui décriés à cause de leur allergénicité et de leur toxicité vis-à-vis du système endocrinien de l’Homme et de la faune sauvage; les remplacer est donc une question de santé publique et de préservation environnementale. De plus, de par leur origine pétrolière, leur prix est extrêmement fluctuant, et leur dégradabilité limitée dans la Nature. Il existe donc aujourd’hui une forte demande industrielle et sociétale pour des technologies de pointe permettant la production d'alternatives renouvelables et plus sûres. Ceci nécessite de lever plusieurs verrous: (1) il faut des matières premières naturelles à faible coût et en quantité, (3) les anti-UV doivent avoir d’autres activités biologiques car l'autorisation de mise sur le marché des composés présentant uniquement des propriétés anti-UV est un processus long et couteux, (4) les molécules doivent être non toxiques pour les consommateurs et respectueuses de l'environnement, (5) les molécules doivent (i) posséder les propriétés physico-chimiques requises pour être efficacement incorporées dans la formulation cosmétique (balance hydrophile-lipophile HLB), et (ii) être photostables sur une période compatible avec la destination du cosmétique. SINAPUV s'appuie sur le travail pionnier de la Chaire ABI et ses partenaires de Purdue et Warwick qui ont démontré que le maléate de sinapoyle naturel présente une activité anti-UV élevée due à un mécanisme très particulier permettant l'absorption de toutes les longueurs d'onde des UV-B. Malheureusement, l'extraction du malate de sinapoyle des plantes n'est pas réalisable car il est présent en très petites quantités. SINAPUV est précisément conçu pour surmonter non seulement ce problème d’approvisionnement mais aussi les obstacles précités en proposant une approche intégrée durable qui vise à produire des analogues de maléate de sinapoyle biosourcés directement à partir de sucres et identifier ceux qui peuvent avantageusement remplacer les anti-UV actuels. Pour atteindre cet objectif ambitieux, le projet repose sur l'exploration simultanée (1) d’une stratégie de biologie synthétique pour l'ingénierie de bactéries et levures capables de produire deux intermédiaires chimiques, l’acide sinapique et le maléate de sinapoyle, (2) d'une fermentation utilisant les souches optimisées et des sous-produits agro-industriels comme milieu, et de son couplage avec des procédés de purification permettant l'intensification de la production des intermédiaires, (3) de voies chimio-enzymatiques durables pour la synthèse d’analogues de malate de sinapoyle à partir de ces intermédiaires tout en jouant sur leur balance HLB, (3) de l'étude de leurs propriétés spectrales/biologiques au niveau moléculaire et au niveau de la formulation, (4) de la détermination de la toxicité des analogues les plus prometteurs, et (5) d’une étude de cycle de vie permettant l’identification des analogues et des procédés intégrés les plus durables. Enfin, les analogues présentant les activités anti-UV/biologiques les plus élevées et la toxicité la plus faible seront validés comme preuve de concept avant leur industrialisation. Pour relever ce défi, des acteurs académiques et industriels ont décidé de construire un partenariat public privé regroupant l'expertise scientifique et industrielle nécessaire pour aborder pleinement ce projet pluridisciplinaire. Des laboratoires français internationalement reconnus en biologie synthétique (MICALIS), en fermentation/génie des procédés/chimie verte/analyse de cycle de vie (Chaire ABI) et en perturbation endocrinienne (HSC) travailleront main dans la main avec une start-up spécialisée dans la construction de microorganismes optimisés pour l’industrie (Abolis) et une société de rang mondial spécialisée dans la production d'ingrédients cosmétiques biosourcés (Givaudan Active Beauty).

Le but de ce projet HYPISUL est premièrement de synthétiser une nouvelle famille de composés, de type iodosulfoximine hypervalent et dans un second temps, d’étudier leur propriétés soit en tant que source électrophile (énantiosélective) de groupement perfluoroalkyle soit comme source de radicaux fluorés. Le groupe de recherche d’A. Togni a déjà développé deux structures de type iode hypervalent, reconnues à ce jour comme étant parmi les réactifs les plus utilisés pour la trifluorométhylation d’une grande variété de substrats allant du synthon jusqu’aux composés de structures plus élaborés et complexes. Ces réactifs font partie intégrante de la palette de produits accessibles même pour des domaines autres que ceux de la chimie du fluor, sont mondialement connus et même commercialisés. Nous proposons dans ce projet d’élargir cette famille de réactifs afin d’étendre leur champ d’application. Deux aspects vont être étudiés en ce sens : 1) l’extension de leur réactivité et 2) la modification de l’entité réactive qu’ils peuvent délivrer. Ce but sera atteint grâce au remplacement de la partie « acide » du réactif de Togni I par la fonction sulfoximine. Ceci permettra une modification des propriétés électroniques de l’atome d’iode et par conséquent l’introduction d’entités fluorées originales et émergentes telles que le SCF3 et le OCF3 sur l’iode hypervalent. La chiralité offerte par le squelette sulfoximine perfluoroalkylé développé par l’équipe d’E. Magnier devrait aussi permettre le contrôle des centres stéréogènes formés. Nous proposons de diviser ce projet en trois parties. La première partie est principalement dédiée à la préparation des nouveaux composés, incluant la version énantiosélective et sera réalisée par l’équipe française. La seconde partie sera elle consacrée au développement et l’étude des propriétés de ces nouveaux réactifs en tant que source de motif fluoré électrophile et radicalaire. Ce travail sera partagé entre les deux groupes en fonction du type de réactivité (radicalaire pour la France et électrophile pour la Suisse). La troisième partie, qui sera réalisé par le partenaire suisse, rassemble toute l’étude théorique, structurale et mécanistique dans le but de mieux comprendre leur réactivité et de guider nos choix dans les différentes modulations de structures possibles. L’étroite collaboration entre les deux groupes permettra une avancée rapide du projet grâce aux différentes compétences mais très complémentaires sur la chimie du fluor des deux équipes.

L’objectif de ce projet consiste à développer des stratégies de désaromatisation innovantes permettant la bisfonctionnalisation asymétrique de doubles liaisons aromatiques substituées. Les arènes sont des composés de gros tonnages faciles d’accès et leur utilité synthétique reste sous-exploitée. Les nouvelles méthodologies de désaromatisation que nous proposons permettront de produire, rapidement et efficacement, des architectures (poly)cycliques fonctionnalisées et chirales, de haute valeur ajoutée, possédant deux centres tri- et tétra-substitués contigus. Grâce aux fonctionnalités qu’ils présentent, ces motifs seront ensuite dérivatisés pour conduire à un grand nombre de composés de structures tridimensionnelles originales et diversifiées. Trois stratégies complémentaires de désaromatisation sont envisagées, mettant en jeu des réactions de cycloaddition/annélation ou l’« Umpolung » d’une double liaison aromatique dans des réactions ioniques ou radicalaires. L’addition sélective de dipôles électroniquement enrichis sur des dérivés aromatiques appauvris conduit à la formation d’un carbanion que nous envisageons de piéger intramoléculairement pour conduire à la formation de cycloadduits formels. Le développement de versions énantiosélectives sera envisagé essentiellement par organocatalyse bifonctionnelle. Les composés polycycliques désaromatisés cibles présentent différentes fonctions dérivatisables, dépendantes de la nature du dipôle utilisé. L’addition sélective de radicaux sur des dérivés aromatiques électroniquement enrichis comme l’indole par exemple fournira des composés désaromatisés de haute valeur ajoutée, comprenant des fonctions dérivatisables de nature différente et complémentaire des précédentes. L’addition de radicaux chiraux (obtenus par énamine ou NHC) ou de radicaux aminyles initiera les nouvelles cascades radicalaires proposées. L’”umpolung” d’indoles et autres azoles électroniquement enrichis, par addition sélective inusuelle en C2 de différents électrophiles, complètera ces stratégies en permettant la formation d’un cation en C3 de l’hétérocycle puis son piégeage de façon intra- ou intermoléculaire. L’activation par des systèmes de type amidine/proton et/ou N-Ac/FeCl3 est proposé pour réaliser l’”umpolung” de la double liaison aromatique. Ces séquences réactionnelles innovantes permettront d’élargir le panel de transformations réalisables à partir des composés aromatiques pour accéder rapidement et efficacement à des composés 3D de haute valeur ajoutée et de structures diversifiées. Les connaissances différentes et complémentaires des trois partenaires de ce projet en matière de désaromatisation seront très utiles pour relever ces défis.

Dans le domaine des matériaux intelligents, les systèmes multichromophoriques sont susceptibles de montrer des effets d’hystérésis de fluorescence, inexplorés jusqu’à présent. Le projet SWIST propose de concevoir des architectures moléculaires composées d’un grand nombre d’unités fluorescentes et photochromes liées à une plateforme cyclodextrine, autorisant des processus de transfert d’énergie. Plusieurs architectures moléculaires multichromophoriques de complexité croissante seront conçues, grâce à une stratégie s’appuyant sur une méthode convergente par click-chimie. La compétition cinétique des photo-isomérisations des différentes unités doit conduire le système selon des chemins réactionnels différents sous illumination UV ou visible, ouvrant un cycle hystérésis de fluorescence. Une approche multidisciplinaire, s’appuyant sur des partenaires scientifiques complémentaires, combinant le design moléculaire, la synthèse, la spectroscopie et les calculs théoriques, doit nous permettre de relever ce défi. L’hystérésis attendue provient d’interactions et d’effets collectifs entre les sous-unités moléculaires. Cela présente un formidable intérêt de recherche fondamentale, mais ouvre également des voies applicatives prometteuses.

ToughGlasses est un projet de recherche fondamentale motivé par la nécessité de prédire (puis de contrôler et d’améliorer) la durabilité mécanique des verres sur le long terme. Les verres d’oxydes sont utilisés pour de nombreuses structures (panneaux de protection, satellites, cellules photovoltaïques…) subissant des sollicitations variées (corrosion sous contrainte, vents, irradiations, température élevée…) pouvant amener un endommagement intempestif et/ou l’altération de leurs fonctionnalités. Des études récentes ont dévoilé une méthode très innovante pour améliorer la réponse en corrosion sous contrainte qui consiste à irradier électroniquement le matériau. Cependant, l’irradiation par électrons modifie aussi la composition chimique et amène la composition du système chimique proche de sa zone de démixtion. La question qu’on se propose de résoudre ici est de vérifier si l’apparition de zone de demixtion est bien responsable de l’amélioration du comportement en corrosion sous contrainte, puis de l’étudier pour ensuite aboutir à l’application en utilisant cette méthode de manière à augmenter la tenue en service des verres.

Le contrôle simultané de la force d’adhésion et de la dynamique de décollement des adhésifs mous est un levier de progrès pour les applications industrielles, en particulier lors des processus d’assemblage et de transformation. AdhesiPS est un projet de recherche fondamentale explorant le potentiel de substrats micro-structurés à l’aide de topographies 3D et d’hétérogénéités adhésives d’origine chimique dans le contrôle du processus de décohésion d’un adhésif mou sur une très large gamme de vitesses de déformation. AdhesiPS planifie d’utiliser des interfaces micro-structurées avec différents motifs géométriques pour contrôler l’adhésion de polymères viscoélastiques, une voie de développement alternatif au contrôle de la formulation chimique de l’adhésif ou de la chimie de surface du substrat. En variant la géométrie du motif et les propriétés physiques (rigidité, énergie de surface) du substrat, le projet AdhesiPS permettra de trouver des stratégies pour ajuster le niveau d’adhésion de polymères mous à des situations extrêmes, depuis des valeurs beaucoup plus faibles jusqu’à des valeurs beaucoup plus fortes que celles obtenues sur une surface lisse. Cette possibilité est liée au fait qu’un tel ajustement a déjà été observé sur des surfaces caoutchoutiques structurées, où les mécanismes responsables de l’adhésion sont en partie simiaires à ceux dans les polymères viscoélastiques mous, en l’occurrence à travers la perte par hystérèse de l’énergie élastique stockée et finalement dissipée pendant le processus de décohésion. Il est tout à fait intéressant de remarquer que dans le cas d’adhésifs mous sur un substrat structuré, la perte d’énergie élastique peut provenir à la fois du substrat et du mécanisme de fibrillation de l’adhésif. Les micro-structures capables de réduire l’aire de contact entre l’adhésif et le substrat, et potentiellement d’augmenter le glissement à l’interface, seraient de très bons candidats pour réaliser des substrats conduisant à une très faible adhésion, de façon analogue aux interfaces micro-structurées qui peuvent créer des comportements superhydrophobes. En outre, la contribution du substrat et celle de l’adhésif à l’énergie d’adhésion dépendent tous deux des taux de déformations appliqués. Ajuster la dépendance avec le taux de déformation de la contribution du substrat à l’adhésion par rapport à celle de l’adhésif pourrait fournir un moyen de contrôler cette dépendance. Par exemple, il pourrait devenir possible de trouver des conditions dans lesquelles la contribution du substrat, qui augmente avec le taux de déformation, pourrait compenser la décroissance de l’énergie d’adhésion de l’adhésif observée à fort taux de déformation sur un substrat lisse, ce qui pourrait permettre d’éviter l’apparition d’instabilités dynamiques. Plus généralement, les processus industriels qui requièrent un niveau d’adhésion différent sur les deux faces d’un même film de polymère, ou qui ont besoin d’un niveau d’adhésion différent pendant la phase d’assemblage et en cours d’usage, pourrait profiter avantageusement d’un contrôle de l’adhésion en fonction de la micro-structure et en fonction du taux de déformation.

Le but du projet PolyNASH est de développer la croissance et l’étude d’oxydes fonctionnels (OF) sur des substrats à bas coûts et de proposer une nouvelle solution pour l’intégration de ces oxydes complexes (OC) à propriétés multifonctionnelles pour l’électronique sur grandes surfaces. En effet, la miniaturisation des éléments électroniques arrive à une limite et de nouvelles solutions sont recherchées afin d’augmenter l’intégration de nouvelles fonctionnalités (approche « More than Moore »). Des matériaux tels que les OC proposent des propriétés telles que le ferromagnétisme, la ferroélectricité, le multiferroisme …, qui ne sont pas présentes dans les semi-conducteurs, et sont ainsi très prometteurs pour le développement d’une nouvelle génération de matériaux en microélectronique, l’électronique basée sur les oxydes : « oxytronique ». Un des freins au développement des dispositifs originaux par un réseau de start-up ou d’industries technologique, est le coût de fabrication complet depuis les substrats jusqu’à la fin de processus. Dans ce projet, nous allons mettre en place deux approches afin de développer ces substrats à bas coût : 1 /Croissance sur substrat par épitaxie combinatoire (CSE) 2/ Epitaxie sur Nanofeuillets de germination (2D-NS). Ces 2 types de substrats ont l’avantage de pouvoir être synthétisés pour une large gamme d’OF et d’offrir une alternative aux substrats monocristallins relativement chers et qui proposent un choix limité de matériaux et d'orientations cristallographiques. Ceci est particulièrement important afin d’exploiter les propriétés fonctionnelles des OC, dont les anisotropies (magnétisme, ferrolectricité…) sont typiquement liées à leur orientation cristalline. Dans le cas des CSE, toutes les orientations possibles peuvent être obtenues en un seul échantillon et permettent ainsi d’étudier avec un seul dépôt de nombreuses expériences réalisées sur les substrats commerciaux monocristallins. Ainsi pour chaque matériau, nous pouvons étudier et isoler les meilleures relations propriétés-orientations et par conséquent les transférer sur d’autres types de substrats comme les 2D-NS. Ces nanofeuillets sont à 2 Dimensions avec une épaisseur moléculaire et comparativement infinis dans le plan. Ils ont des paramètres de mailles leur permettant d'être utilisés comme site de germination afin d’induire une épitaxie des OC. De plus ces 2D-NS ont la particularité de pouvoir être déposés sur tous types de support sans limitation de surface tel que le Silicium. Ainsi ce projet vise à démontrer le potentiel de ces 2 types de substrats sur différentes familles d’OC : pérovskite, grenat et illménite pour leurs propriétés multifonctionnelles et de magnétisme et qui sont étudiés entre autres pour la spintronique. Le projet est organisé de manière à ce que les deux matériaux soient optimisés et étudiés en parallèle et propose un transfert des CSE vers les 2D-NS. Pour cela ce consortium englobe la gamme complète des compétences nécessaires pour mener à bien le projet, qui comprend des experts dans le domaine de croissance des 2 types de substrats : le CRISMAT de Caen (CSE) et l'ISCR de Rennes (2D-NS). Les OC seront déposés par ablation laser pulsé par les partenaires qui ont déjà optimisé les matériaux pérovskite (CRISMAT) et grenat et ilménite (GEMaC) tandis que l’intégration des OC sur de larges surfaces sera réalisée par Atomique Layer Deposition au GEMAC et Chemical Solution Deposition à l’ISCR. La caractérisation des couches minces seront réalisées structuralement au CRISMAT et à l’ISCR, et les caractérisations physiques macroscopiquement au CRISMAT et à l’échelle locale au GEMaC. L’élaboration de ces substrats vont permettre l’étude de la croissance d’oxydes complexes et leur intégration sur des substrats universels et à large surface. Ceci permettra de proposer le développement d’une technologie en rupture dans le domaine des dispositifs basés sur le silicium.

Le changement global vers un modèle économique plus écologique nécessite de remplacer les produits chimiques non renouvelables par des produits durables dont les performances correspondent au moins à celles de leurs prédécesseurs tout en respectant les normes les plus récentes. L'adaptabilité rapide aux standards est essentielle dans de nombreux domaines tels que la cosmétique, la récupération du pétrole, la construction, l'agro-alimentaire et l'industrie automobile. Dans ce contexte en constante évolution, des méthodes qui accélèrent la synthèse, la caractérisation et l'optimisation chimiques sont désirables. L'objectif de la proposition CARANGONI est de relever le défi du développement d'une nouvelle méthode rapide et peu coûteuse de caractérisation de la solubilité des espèces chimiques basée sur les écoulements de Marangoni. Certains d'entre nous ont montré par le passé que la taille des écoulements de Marangoni induite par l'injection d'espèces actives en surface solubles dans l'eau à la surface d'une couche d'eau était fixée à la fois par le débit à laquelle les molécules sont injectées et leur limite de solubilité dans l'eau avant l'agrégation, également connue sous le nom de concentration critique de micelles. La relation entre ces trois quantités est une simple loi d'échelle. Ainsi, à l'aide d'une calculatrice, on peut déduire une propriété thermodynamique des molécules tensio-actives en solution à partir de la mesure de la taille d'un écoulement avec une règle. En outre, une seule mesure est nécessaire. Cette particularité doit être contrastée avec la nécessité de grandes quantités de matériel et de temps nécessaires pour effectuer des mesures de la cmc avec des méthodes classiques (goutte pendante, conductimétrie, ...). Jusqu'à présent, nous avons testé des molécules simples qui sont loin des systèmes moléculaires utilisés dans l'industrie. Dans la proposition CARANGONI, nous voulons généraliser la caractérisation de Marangoni à des systèmes moléculaires complexes et plus proches des applications, comme les mélanges de tensioactifs-polymères ou les tensioactifs en présence de sels. Nous voulons également explorer les extensions du système Marangoni pour éliminer les impuretés dans les tensioactifs et la synthèse des nanoparticules à base d'ADN. Enfin, nous voulons bénéficier de la beauté de l'expérience pour développer des outils de vulgarisation autour de la science des interfaces. Notre consortium inclut quatre groupes de trois laboratoires, Matière et Systèmes Complexes, le Laboratoire de Physique des Solides et l'Institut de Physique de Rennes, à Paris et à Rennes. Ce consortium réunit à la fois des expertises dans les approches expérimentales et théoriques des sciences de l'interface, de l'hydrodynamique et de l'auto-assemblage. La vulgarisation occupe une place importante dans ce projet, et la proposition comprend une tâche spécifique consacrée à la diffusion. Le consortium implique des chercheurs dans ce domaine qui ont développé des stratégies novatrices pour populariser d'autres sujets de la physique comme la mécanique quantique. La proposition bénéficie du soutien de la société française TECLIS, basée à Lyon, qui est un important fabricant de dispositifs de caractérisation d'interface. Les membres du consortium ont déjà commencé à développer un prototype de dispositif basé sur l'automatisation de la mesure des flux de Marangoni pour la caractérisation rapide de la solubilité des espèces chimiques. Le but de cet appareil est au niveau de la formulation et au contrôle de la qualité.

Le projet SPOT a pour objectif le développement d’un ou plusieurs procédés de gravure par plasma réactif pour structurer la surface de pièces en acier de type austénitique et martensitique jusqu’à l’échelle submicronique. En combinant les propriétés intrinsèques ou chimiques des surfaces avec les propriétés physiques générées par la topographie, des fonctionnalités nouvelles ou optimisées seront créées afin de répondre aux attentes de nombreux secteurs industriels. Cette valeur ajoutée suppose la maîtrise du procédé de structuration, et permettra de répondre aux limitations des techniques déjà disponibles (laser, gravure chimique, emboutissage). Pour garantir la durabilité des macro/nano motifs réalisés, nous développerons des traitements « duplex » de structuration suivie de traitement thermochimique (nitruration, carburation) basse température assisté par plasma, mixant ainsi les avantages conjoints des deux procédés. Cette voie innovante doit donner naissance à de nouvelles familles de produits répondant à des besoins spécifiques et très contraignants en matière de résistance mécanique, de réduction du frottement, de durée de vie des pièces en conditions extrêmes. Le marché potentiel est très important. Le consortium est composé de trois laboratoires et d’un industriel. L’Institut Jean Lamour (IJL), coordinateur, est un acteur reconnu au niveau international pour la mise en forme et le traitement des matériaux. Il développe des activités de recherche liées à la structuration de surfaces métalliques par plasma (traitement thermochimique et gravure par pulvérisation ionique). Le Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies (C2N) possède de solides compétences en gravure plasma, tant sur le plan expérimental que fondamental pour la compréhension des mécanismes mis en jeu. Ceux-ci sont exploités dans les codes de modélisation des interactions plasma-surface développés à l’Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN), troisième partenaire académique de SPOT. L’IMN possède en outre de fortes compétences dans le domaine de la caractérisation physico-chimique des surfaces gravées. Enfin, la PME SILSEF possède un savoir-faire reconnu en techniques de structuration ainsi que des moyens de caractérisation fonctionnelle. Elle est largement sollicitée pour la mise au point de procédés innovants de fonctionnalisation des surfaces de pièces en acier. In fine, SPOT vise à démontrer la faisabilité industrielle de procédés de gravure par plasma de pièces en acier pour fonctionnaliser les surfaces. L’ambition est d’ouvrir de nouvelles perspectives d’application dans un marché considérable, très actif et diversifié, dans un contexte pressant pour limiter la consommation en matières premières, favoriser les matériaux recyclables, améliorer la durée de vie des systèmes existants….tout en favorisant le développement durable et de la compétitivité des produits manufacturés. Associées à des traitements thermochimiques, les gravures donneront aux pièces métalliques structurées des propriétés tribologiques renforcées et durables, utilisables en milieu sévère. Candidates au remplacement de pièces habituellement réalisées en matériau plus noble non recyclable (SiC) ou recouvertes d’une couche mince dure (DLC, TiN), elles assureront alors un gain économique et écologique.

Le contrôle de la chimie de surface ou interface est l'une des étapes clés dans la maîtrise des nano technologies électriques et photonique destinées aux composants industriels à fortes valeurs ajoutées. Ce constat est généralement observé pour les III-Vs où il est encore difficile d'atteindre leurs performances exceptionnelles prédites par la physique. Le programme d’EPINAL repose sur une passivation recouvrant entièrement la surface d’InP par un film ultra mince de polyphosphazene. C’est une passivation originale et inédite sur les semiconducteurs III-V. Elle implique une chimie contrôlée des liaisons "P-N" à l'échelle nanométrique, obtenue par voie électrochimique et electroless dans l’ammoniac liquide (-55°C, pression atmosphérique). EPINAL repose sur un projet pluridisciplinaire rassemblant 4 groupes de recherche académiques (ILV, LPN, ICMPE et IRDEP). Cette approche multidisciplinaire très contrastée mais complémentaire (chimie, électrochimie, physique et optique) est une façon inhabituelle de procéder et novatrice et délimiter les performances des films de passivation sur la surface de semiconducteurs. EPINAL vise ainsi les modifications fondamentales intervenant à l’interface afin de comprendre et ainsi révéler la meilleure passivation possible. Les résultats préliminaires obtenus par le consortium sont encourageants sur InP par voie électrochimique. La formation du film est en effet parfaitement contrôlée par voie électrochimique (épaisseur, homogénéité, distribution spatiale). La stabilité chimique du film est révélée sur différents solvants, la stabilité thermique et la fonctionnalisation du film par complexation de fragments inorganiques sont démontrés comme la potentialité d’étendre ce processus de passivation à la formation de motif en utilisant des masques de SiO2. Cette passivation sera explorée sur d'autre III-Vs impliquant de nouvelles liaisons "III-N" telles que "Sb-N", "Ga-N" présents dans de nombreux alliages ternaires et quaternaires. Le succès de cette passivation étendue à d’autres semi-conducteurs III-Vs permettrait de nombreuses applications dans le domaine de la microélectronique et des dispositifs optoélectroniques. Citons, sans être exhaustif, la passivation sur les faces clivées ou gravées, de guides d'ondes de SC lasers pour les rendre résistants vis-à-vis des densités de puissance optique élevée. Les traitements à haute réflectivité des faces de miroir pour augmenter les performances des lasers sont également essentiels. La passivation et l'isolation des rubans laser pour la technologie de guide d'onde à crête profonde constituent aussi d'autres exemples.

Les lasers solides pompés par diode et dopés Nd3+ sont très bien adaptés à l’obtention de fortes puissances d’émission dans le proche infra-rouge lorsqu’ils opèrent selon la transition 4F3/2 – 4I11/2 (laser quatre niveaux vers 1030-1080 nm) ou la transition 4F3/2 – 4I9/2 (laser quasi-trois niveaux vers 900-950 nm). Cette émission laser peut ensuite être convertie en longueur d'ondes vertes ou bleues puis dans l’UV grâce à des procédés de doublage de fréquence. Cependant la gestion de la charge thermique en fonctionnement laser reste un obstacle à la montée en puissance : il peut être franchi par la mise en forme particulière des cristaux en fibres, couplée à leur mise en oeuvre dans des modules adaptés. Le procédé d’élaboration des fibres cristallines par µ-pulling down (µ-PD) est alors particulièrement bien adapté : il est direct, rapide et peu coûteux comparativement à des méthodes d’élaboration de cristaux massifs. Cependant, pour l’application visée, seul le YAG : Nd3+ est disponible commercialement sous forme de fibre. Les fibres de YAG : Nd3+ sont effectivement élaborées par µ-PD et elles peuvent être montées dans des modules dédiés, en particulier développés par l'entreprise partenaire Fibercryst, qui ont fait la démonstration de l’intérêt de cette technologie de mise en forme pour les performances laser. Cependant, le YAG : Nd3+ présente quelques inconvénients comme un coefficient de ségrégation défavorable de l’ion Nd3+ ne facilitant pas l’obtention de fibres cristallines homogènes, un stockage d'énergie dans le niveau émetteur limité par un temps de vie moyen, et une sensibilité aux pertes laser par effet de dépolarisation en raison de sa structure cubique. Le projet CRYSTALASFIBER se propose de développer une nouvelle génération alternative de fibres cristallines basée sur l’ASL : Nd (Sr1-xNdyLax-yMgxAl12-xO19) palliant certaines limitations du YAG : Nd3+. Cette famille de matériaux est facile à élaborer sous forme massive (méthode Czochralski), elle témoigne d’une ségrégation de l’ion Nd3+ assez idéale, elle est non cubique, et elle présente un temps de vie de fluorescence élevé (meilleur stockage d'énergie en régime laser pulsé) ainsi que des propriétés spectroscopiques très favorables, en particulier pour l’émission selon la transition 4F3/2 – 4I9/2. Préparée à l’état massif, des performances lasers prometteuses ont déjà été obtenues en démontrant une émission laser à 1053 nm et 900 nm, mais seulement en régime continu et les puissances sont restées légèrement limitées à cause d’effets thermiques qui pourraient être mieux gérés en exploitant la géométrie d’une fibre cristalline. Préalablement, un premier test de croissance de l’ASL par µ-PD a été démontré pour justifier la faisabilité de ce projet. Ainsi, ce projet vise à explorer et à tester le champ de composition offert par l’ASL : Nd pour développer son élaboration directe sous forme de fibre cristalline par la technique de µ-PD. La finalité de ce projet est l’adaptation et l'intégration de ces nouvelles fibres cristallines dans des modules laser à vocation commerciale pour en tester les performances laser, en particulier en régime pulsé pour l'obtention de fortes énergies à taux de répétition modéré. Il est à noter que cette technologie de module laser est maîtrisée par le partenaire industriel de ce projet et qu’elle a fait ses preuves récemment, en particulier dans le cas du YAG. Le consortium implique 3 partenaires académiques (IRCP, ILM, LCF) et un industriel (Fibercryst), avec comme objectif d’offrir à terme de nouvelles opportunités industrielles et commerciales. CRYSTALASFIBER est ainsi un projet pluridisciplinaire de 3 ans mêlant des compétences complémentaires en science des matériaux, croissance cristalline, transfert de technologie, spectroscopie et tests lasers.

MILAGaN vise à développer des lasers microdisques pompés électriquement à base de matériaux nitrures (Al,Ga,In)-N couvrant la gamme UV-visible. Plusieurs applications peuvent être envisagées: la purification/désinfection de l'eau et de l'air, la détection d’espèces chimiques et la fabrication de sources solides toujours plus efficaces pour l’éclairage. MILAGaN concentrera son attention sur l'éclairage, car c'est probablement un des enjeux les plus importants de ce siècle. La part de l'éclairage à semiconducteurs augmente rapidement en raison de sa meilleure efficacité énergétique par rapport aux autres technologies et de ce fait, des économies d'énergie significatives sont attendues. La seule limitation freinant son adoption massive est le prix des diodes électroluminescentes (LED). Une solution consiste à réduire le nombre de LED dans la lampe et de les piloter à fort courant. Malheureusement, les LED à base de GaN ont une efficacité qui chute à fort courant, et perdent de ce fait une partie de leur intérêt énergétique. Cet effet est lié au processus d'émission spontanée et peut être largement supprimé en utilisant des sources d'émission stimulée, c'est-à-dire des lasers. Parmi les différentes géométries de laser, les microdisques conviennent parfaitement à cette application. En s’appuyant sur l’expertise du consortium sur le GaN-on-Si, l’idée du projet est de développer des lasers microdisques injectés électriquement émettant dans l’UV/bleu pour pomper des phosphores afin d’émettre une lumière blanche. La fabrication de réseaux de microdisques pilotés en parallèle permettra d’obtenir une puissance optique élevée. Les premiers prototypes permettront d’évaluer les problèmes potentiels liés à cette nouvelle technologie, tels que le coût des dispositifs, la gestion de la thermique, les pertes, la durée de vie et la robustesse. Mais l’objectif premier du projet et son principal défi consiste à fabriquer des lasers microdisques injectés électriquement. Le pompage optique a déjà été démontré dans ces microdisques, des facteurs de qualité élevés ont été mesurés et l’effet laser a été observé. La difficulté du projet consiste donc à reproduire ces caractéristiques mais cette fois en pompage électrique, ce qui est complètement nouveau et constitue un vrai défi. Le consortium regroupe 4 partenaires avec une expertise complémentaire en France et un partenaire à Hong Kong. Les partenaires français collaborent depuis longtemps dans ce domaine et ont une bonne expérience dans la fabrication des cristaux photoniques, des microdisques et des cavités planaires en matériaux nitrures. Cependant, manquant d'expérience dans les domaines des microdisques injectés électriquement et des sources de lumière blanche, l’expertise d’un partenaire localisé à Hong Kong (HKU) s’est avérée indispensable. HKU possède une solide expérience dans la mise en œuvre des luminophores pour les sources de lumière blanche et plus généralement dans l’injection électrique des nanocomposants. Grâce à cette expertise complémentaire, le projet propose de réaliser un procédé complet, qui va de l'épitaxie jusqu’au prototype avec le dépôt du phosphore. Il n’est cependant pas question, dans le cadre de ce projet, de démontrer que la technologie µdisques va concurrencer la technologie LED existante qui a connu deux décennies d'optimisation. L'objectif du projet est avant tout d'évaluer le potentiel des lasers µdisques pour l'éclairage à l'état solide et d'identifier les problèmes et les limites de cette technologie innovante. L'impact du projet sera renforcé par la nature internationale du projet, mais aussi par la force du réseau GaNeX dont tous les partenaires français sont membres. GaNeX soutient déjà le projet MILAGaN via l’attribution d’une thèse partagée C2N/INAC. En outre, la société Aledia et la startup EasyGaN, une jeune spin-off du CRHEA, toutes deux développant des technologies à base de matériaux nitrure sur silicium, sont intéressées par le projet.

Le projet PYRAMID est un projet international de recherche collaborative (PRCI), qui réunit des laboratoires publics français (MATEIS,LVA, CEA) et japonais (IFS et GSE à l'Université de Tohoku , GSST à l'Université Gunma), une Unité Mixte Internationale (ELyTMaX),et le CRIEPI, fondation de recherche à but non lucratif, soutenue par l'industrie électrique japonaise . PYRAMID vise à développer de nouveaux outils et techniques pour détecter et quantifier l'amincissement de paroi dû à la Corrosion induite par un Flux chargé en Débris (SFC) dans les systèmes de tuyauterie, qui s'apparente à la Flow Accelerated Corrosion (FAC) en présence d'une forte concentration de débris divers (béton, corrosion, métal ...). L'objectif final est de fournir un système de gestion des risques basé sur la prévision et la surveillance de l'amincissement des parois due à la SFC. Les modes et le taux de corrosion seront prédits par des simulations numériques mises en oeuvre sur des structures réalistes telles que des coudes d'acier. Ces prédictions seront validées par des mesures électrochimiques sous coefficient de transfert massique contrôlé. De plus, des méthodes ultrasonores non destructives (UT) seront conçues à l'aide de simulations. Leurs performances seront testées dans des installations de test de corrosion. Les techniques adéquates de traitement du signal basées sur des approches bayésiennes seront développées. Les UT sont très répandues dans l'industrie car elles permettent le contrôle en volume et contribuent à améliorer la productivité et la conformité des produits aux exigences de qualité et de sécurité. Les transducteurs acoustiques électro-magnétiques (EMAT) permettent la génération et la détection d'ondes élastiques dans une pièce sans contact mécanique avec celle-ci; Par conséquent, ils peuvent être utilisées à haute température et dans divers environnements hostiles où les transducteurs piézoélectriques standard échouent. L'utilisation d'EMAT constitue une solution polyvalente adaptée aux cas complexes. La disponibilité d'outils de simulation validés pour prédire le champ qu'ils génèrent et leur sensibilité à un champ arbitraire est cruciale si l'on veut les optimiser et limiter leurs inconvénients. Une fois développés, ces outils peuvent être couplés à d'autres dédiés à la propagation et à la diffusion des ondes élastiques. Cet 'ensemble d'outils permet une simulation complète des inspections UT dans des cas complexes. Les ondes élastiques guidées (GW) sont utilisées dans les essais non destructifs sur tuyaux. L'étude numérique de la diffusion des GW est souvent coûteuse en termes de calcul en raison de très courtes longueurs d'onde par rapport à la taille du tuyau. En outre, le nombre de modes diffractés à partir d'un défaut non axisymétrique (zone de corrosion typique, fissure ...) peut être trop important pour la méthode des éléments finis standard (FE). En conséquence, la plate-forme de simulation CIVA traite des modèles basés sur un Formalisme Modal pour simuler l'inspection non destructive par GW en utilisant la méthode Semi-Analytical Finite Element (SAFE). Actuellement, les sources EMAT sont prises en compte dans une méthode hybride SAFE / FE efficace pour calculer les modes diffractés par un défaut complexe arbitraire implémenté dans la plate-forme de simulation NDT CIVA par CEA. Pour augmenter la fiabilité de la méthode, les simulations aideront à sélectionner la meilleure solution technique, basée sur la probabilité de détection et la performance de caractérisation des défauts. Des techniques d'imagerie topologique par ultrasons seront également appliquées. Cette double approche, qui combine la simulation et la caractérisation, devrait permettre d'optimiser le processus d'inspection dans les tubes en acier corrodés. Le projet conduira a un système d'évaluation du risque industriel lié à l'exploitation de tout système de tuyauteries soumis à la corrosion, qui doit être détectée, quantifiée et évaluée.

L'ingénierie biologique s'introduit de plus en plus dans les procédés de synthèses de molécules à haute valeur ajoutée, contribuant au développement de productions éco-compatibles à l'aide de fermentations bactériennes. Ce principe peut encore largement évoluer en détournant les voies de biosynthèses vers des productions de nano-objets complexes ou fragiles, intégrées par la cellule. Le projet GenCaps propose une preuve de concept de la formulation de capsules liposomes thermo-stimulables par des bactéries génétiquement modifiées. Nous poursuivront les objectifs suivants 1) la surexpression de vésicules lipidiques (protéoliposomes) bien définis en terme de composition et de présentation de peptides à leur surface, sous contrôle de l'expression d'une protéine de structure recombinante, 2) une encapsulation de protéine/peptides solubles s'effectuant in cellulo, 3) le couplage de la membrane lipidique avec la réponse en température de chaines polymères pour contrôler sur demande la libération ou le ciblage des capsules. Le but explicite sur ce dernier point consistera à encoder des séquences thermosensibles ("elastine-like") pour obtenir des objets totalement biosynthétisés. Une étape intermédiaire générant des systèmes hybrides (couplage chimique post-production) a été aussi planifiée afin de marquer les vésicules et faciliter leur caractérisation. Nous étudierons notamment la stabilité et les formes membranaires (tubes ou sphères), l'orientation des protéines membranaires, et le déclenchement (thermique) sur commande de l'agrégation des protéines et de la rupture membranaire (perméabilisation). Franchi le stade de la preuve de faisabilité et du "scale-up" (pour lequel une étude de faisabilité sera commandée à la compagnie Synthelis), les applications de ce système pourraient renouveler les ingrédients de produits cosmétiques et alimentaires. Au delà, nous espérons que cette approche montrera le potentiel d'une orientation du champ de la bioingénierie vers le contrôle de nanoparticules organiques pour lequel beaucoup reste à inventer (biolatex, émulsions huileuses, etc).

La phase hexagonale diamant (polytype 2H) n’apparaît pas dans le diagramme des phases du silicium. Cependant, nous l’avons obtenue par croissance vapeur-liquide-solide (VLS) dans un réacteur de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD), en utilisant l’étain comme catalyseur. Le but du projet HexaNW est de comprendre ce qui stabilise cette phase pendant la croissance de façon à établir un protocole permettant de la reproduire de manière fiable. Nous utiliserons pour cela l’observation de la croissance à l’échelle atomique in-situ dans le microscope électronique en transmission environnemental (ETEM) du projet NanoMAX et sa modélisation grâce à des calculs ab-initio des énergies de surface et d’interface. La structure de bande calculée du silicium 2H donne un gap indirect de 0.95 eV qui devient direct dans les nanofils (Amato, Nano Lett. 16, 5694, 2016) ou sous une contrainte de tension bi-axiale (Rödl, …, and Guillemoles, Phys. Rev. B 92, 045207, 2015). Ces propriétés électroniques, ajoutées à l’abondance naturelle et l’innocuité environnementale de l’élément, en font un excellent candidat pour de futurs dispositifs nano-optoélectroniques. Le Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (LPICM, CNRS, École polytechnique, Université Paris-Saclay) développe des cellules solaires à base de jonctions radiales élaborées autour de nanofils. De manière tout-à-fait remarquable, le silicium amorphe déposé autour d’un cœur Si-2H dans de tels dispositifs pourrait appliquer une contrainte utilisable pour ajuster la bande interdite de la phase 2H. La structure 2H (P63/mmc) n’apparaît pas dans les expériences sous enclume de diamant, quelle que soit la température ou la pression. C’est pourquoi il a toujours été très remarquable de la trouver sous contrainte ou dans des couches épitaxiées. Sa présence dans des nanofils de silicium bruts de croissance n’avait jamais été clairement démontrée avant nos observations. ces dernières sont réalisées uniquement dans l’axe de zone de type [110] (3C)/ [11-20] (2H) où la caractérisation de la phase est indiscutable (Tang, Maurice, et al., Nanoscale, 2017). Les nanofils 2H que nous préparons diffèrent de ceux qui sont habituellement étudiés par : (i) leur petites dimensions (4 nm de diamètre), (ii) la technique de dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma (PECVD) qui fonctionne à basse température et (iii) l’étain liquide que nous utilisons comme catalyseur. Le projet HexaNW a pour but essentiel la compréhension des mécanismes de croissance des nanofils Si-2H. Il permettra également de connaître les propriétés de tels objets, en fonction de leur taille et du polytype présent. Ses perspectives sont le développement de dispositifs optoélectroniques ou photovoltaïques profitant de la structure de bande unique de ces objets. Le programme en est le suivant: la croissance sera optimisée au LPICM, dans le réacteur-même qui a déjà produit cette phase. Ceci fera le principal objet du travail de thèse du doctorant payé par l’ANR. Elle sera observée dans l’ETEM NanoMAX en temps réel et à résolution atomique. Compte tenu du risque propre à cette partie du projet, l’étude in situ comportera également la croissance par jets moléculaires de nanofils de Ge par le partenaire C2N, dans des conditions propres à former le polytype2H. La caractérisation optoélectronique du matériau sera effectuée à l’IRDEP (CNRS, EDF, Chimie-ParisTech) sur des nanofils élaborés ex-situ. La cathodoluminescence (LPICM-C2N) donnera la luminescence individuelle de ces objets. La nucléation et la croissance seront modélisées au C2N (CNRS, Université Paris-Saclay) en utilisant les énergies de surface et d’interface calculées à partir des premiers principes au LSI (CEA, CNRS, École polytechnique, Université Paris-Saclay). La corrélation des observations à l’échelle atomique avec ces modélisations permettra une compréhension fine des conditions qui stabilisent la phase Si 2H.

Les oligomères et les polymères pi-conjugués ont reçu une attention toute particulière comme matériaux organiques semi-conducteurs à bas coûts et d’usage pratique pour l’industrie opto-électronique. En effet, des diodes électroluminescentes (OLED) pour l’affichage incorporant des oligomères pi-conjugués émissifs ont été commercialisées dès 2002. Malgré les avantages de ces matériaux, le procédé de sublimation utilisé pour la réalisation d’OLEDs commerciales actuelles, reste relativement couteux. En revanche, les matériaux que nous proposons dans ce projet sont dédiés à une fabrication des diodes par voie liquide ouvrant la voie à des approches à bas coûts. De plus, des recherches sont toujours nécessaires afin de développer des matériaux optimisés (émetteurs, transporteurs de charges) permettant d’améliorer les performances de ces dispositifs. Un nouveau domaine d’application est également apparu récemment avec le développement de diodes électroluminescentes émettant dans le blanc (WOLED). Cette dernière application suscite un très grand intérêt car, grâce à leur faible consommation énergétique et à la démonstration de leur viabilité industrielle dans le domaine de la visualisation, les WOLED sont aujourd’hui considérées comme de sérieux candidats pour une prochaine génération de sources d’éclairage. Toujours dans le but d’imprimer les LEDs, notre projet a donc pour but de développer des nanomatériaux hybrides fortement émissifs et solubles qui peuvent être utilisés pour la construction de dispositifs optoélectroniques de type diode électroluminescente par impression. Afin de développer ces nouveaux matériaux fortement émissifs, nous grefferons un ou plusieurs émetteurs organiques présentant une émission induite par agrégation (AIE) sur une nanoparticule inorganique type ZnO. Ce greffage, via une fonction d’ancrage faisant partie du système pi-conjugué, permettra de concentrer un nombre important de fluorophores à la surface et surtout de figer les molécules permettant de réduire les désactivations non radiatives. De plus, le co-greffage de plusieurs émetteurs avec des spectres d’émission complémentaires pour obtenir une émission blanche vise à donner une solution aux problèmes de démixtion existant dans les mélanges de polymères utilisés dans la technologie PLED. En effet, un contrôle de la distribution ainsi que de la morphologie des différents émetteurs par le greffage sur des oxydes métalliques de formes différentes seront étudiés. Un autre objectif de ce projet concerne la mise au point d’une méthode de synthèse de composés organiques présentant un phénomène AIE et incorporant la fonction de greffage au sein du système pi-conjugué qui soit aisée à mettre en place, reproductible et permettant d’obtenir de grandes quantités de produits. Plus particulièrement, les familles des phospholes, des siloles et des tétraphényléthylènes, dont les propriétés AIE ont déjà été démontrées sur des systèmes « tout-organiques » seront étudiées. L’objectif sera d’obtenir des fluorophores AIE greffables émettant différentes longueurs d’ondes dans la gamme du visible. Nous étudierons, en détail, l’interaction entre le chromophore organique présentant la propriété d’émission induite par agrégation et la nanoparticule en faisant varier différents paramètres (nature et position de la fonction de greffage) ainsi que la nature des oxydes métalliques. Le projet vise à utiliser les propriétés électriques des oxydes métalliques pour améliorer le transport des électrons dans la couche active en variant la forme des nanoparticules (sphère, bâtonnet), en plus de leur rôle actif dans le co-greffage. Ensuite, introduirons ces nouveaux matériaux hybrides dans différentes structures de LEDs par voie humide dans le but de simplifier le procédé de fabrication de ces dispositifs.

Le projet HIBISCUS a pour objectif le développement d'une nouvelle source d'ions, qui pourra permettre de produire des faisceaux intenses de pratiquement n'importe que type d'ions (atomes, molécules, nanoparticules...) dans des conditions très douces (proches de la température ambiante). Cette source permettra également de résoudre la plupart des problèmes posés par les sources LMIS, MiLICIS et LICIS . Notre approche se base sur l'utilisation de composés, qui vont permettre de pré-dissocier les espèces ioniques en solution, pour faciliter leur extraction. Ceci permettra également de faire fonctionner ces sources pour obtenir des faisceaux d'ions positivement ou négativement chargés, en utilisant les mêmes principes de fonctionnement. Dans le cas de la production des faisceaux de nanoparticules, l'approche actuelle conduit à une distribution de nanoparticules en masse et charge avec de nombreuses espèces ayant un m / q identique. Par conséquent, il est difficile de sélectionner une NP avec une masse et une charge bien définies. Notre approche permet d’apporter également des solutions à ce problème et de réduire la taille du spot du faisceau. Ces sources trouveront de larges applications dans des domaines très divers, allant de l'analyse des surfaces par spectrométrie de masse SIMS à l'implantation ionique en passant par le micro/nano-usinage.

Près de 80% des composés magnétiques sont antiferromagnétiques, produisant donc une aimantation nulle ou extrêmement faible. Parmi les matériaux magnétiques, 50% sont à la fois antiferromagnétiques et électriquement isolants. Cette double caractéristique les rend quasiment impossible à observer sur la base des techniques de microscopie aujourd’hui disponibles, ce qui limite la compréhension de leurs propriétés physiques, notamment lorsque ces dernières doivent être visualisées aux échelles pertinentes, du micromètre jusqu’au nanomètre. L’exploration des propriétés microscopiques des antiferromagnétiques devient incontournable alors que ces matériaux émergent en tant que nouveau paradigme de la spintronique. Ils présentent de nombreux atouts parmi lesquels : i) une stabilité aux champs parasites ii) une absence d’interférence magnétique entre différentes cellules au sein des dispositifs iii) une fréquence de commutation dans la gamme des THz, bien supérieure à celle des ferromagnétiques (1-50 GHz), iv) une basse consommation de commutation du fait de leur capacité à propager des ondes de spin et non des charges électriques dissipatives. Comme l’ordre antiferromagnétique ne génère aucun champ de fuite, les processus de nucléation et croissance des domaines lorsqu’ils soumis à différents stimuli constitue un territoire totalement inexploré. L’absence de techniques de microscopies adaptées à cette classe de matériaux doit être palliée afin de pouvoir appréhender le comportement des antiferromagnétiques, de les manipuler à l’échelle submicronique, et de bénéficier de leurs avantages intrinsèques dans de futurs dispositifs électroniques. Dans le cadre du projet PIAF, deux objectifs majeurs seront visés : 1- Le développement de nouvelles approches expérimentales permettra d’imager et de manipuler in situ la structure microscopique des antiferromagnétiques. Cette approche a été prolifique pour la compréhension et l’exploitation de leurs analogues ferromagnétiques. Différents types de microscopies originales (magnéto-optique, génération de seconde harmonique, magnétométrie de centre N-V) seront mises à profit pour imager les domaines, les parois de domaines, et les ordres périodiques de spin constituant la microstructure des antiferromagnétiques. Ces techniques complémentaires formeront un ensemble synergique pour l’étude des antiferromagnétiques. 2- Les observations microscopiques permettront d’ouvrir de nouveaux horizons avec la manipulation de l’ordre antiferromagnétique soumis à différents stimuli électriques, en maitrisant l’obtention de textures de spin à la demande. Les trois leviers envisagés pour la manipulation des microstructures antiferromagnétiques seront : i) l’effet de contrainte induite par couplage avec un matériau piézoélectrique, ii) l’effet de transfert de spin induit par un courant polarisé, iii) l’effet magnéto-électrique intrinsèquement présent dans les matériaux multiferroïques.

L'objectif de notre projet est de développer un nanosenseur innovant et bon marché utilisant la technologie nanopore pour la discrimination en taille de peptides à l'échelle de la molécule unique, avec une résolution d'un seul acide aminé, qui n'a jamais été atteinte jusqu'à présent. Une application industrielle de notre système est la détection, l'identification et la quantification de très petites quantités d'impuretés (quelques dizaines de molécules) dans un échantillon de peptides, avec une plus grande sensibilité que les méthodes d'analyse de pureté traditionnelles (à savoir la Chromatographie Liquide Haute Performance et la Spectrométrie de Masse).

A l’heure actuelle, il est bien connu que les voies muqueuses sont les sites d’administration préférés des médicaments, en comparaison avec les voies parentérales. Cependant, la conception de formulations capables de contrer la dilution par les fluides physiologiques et d'éviter leur élimination par le mucus continue de représenter un défi à relever. Les nanoparticules (NPs) polymères ont déjà montré leur capacité à résoudre partiellement certains aspects de ces problèmes, notamment grâce à leur petite taille et à leur surface mucoadhésive. Cependant, bien que les effets de la taille des NPs polymères et de leurs propriétés de surface aient été largement étudiés, il y a un manque indubitable de connaissances concernant l’effet de la morphologie des NPs sur leurs comportements vis-à-vis des muqueuses. Ainsi, la stratégie originale proposée ici est de considérer la forme des NPs comme un nouveau paramètre pour concevoir les nanomédicaments du futur, administrables par les voies muqueuses. Notre objectif est de concevoir des NPs de morphologie contrôlée et de comprendre leurs comportements après administration par les voies muqueuses en étudiant : (i) leur diffusion dans les fluides biologiques, (ii) leur diffusion à travers le mucus, (iii) leur interaction avec les constituants du mucus, principalement les mucines, (iv) leur capture par les cellules épithéliales et leur passage trans-muqueux. Des résultats préliminaires fournies par le coordinateur scientifique et son équipe ont montré (i) la faisabilité de la fabrication des NPs avec la possibilité de contrôler simultanément la morphologie, la taille et la surface, (ii) que des NPs de forme allongée et aplatie avaient une mobilité quatre fois plus rapide dans l’eau que des NPs sphériques. Basé sur des concepts nouveaux et inconventionnels, ce projet multidisciplinaire et ambitieux combine des approches fondamentales avec une vision appliquée des nanotechnologies dans le domaine de la santé. Il aborde une question pertinente et dispose d'un plan de travail complet. Les chances de succès sont élevées grâce aux preuves de concepts fournies par le coordinateur scientifique et son équipe. Outre les compétences du coordinateur scientifiques acquises au cours de ses dix années de carrière, le projet Shape bénéficie d'un soutien intellectuel très spécifique des membres de son équipe. Ce programme sera mené dans le laboratoire "Institut Galien Paris Sud", UMR CNRS 8612, qui représente l'une des structures de recherche les plus importantes dans le domaine des nanomédicaments en France et en Europe.

Les microscopies optiques super-résolues, couronnées par le prix Nobel 2014, représentent une véritable révolution en biologie. Leurs sensibilités ultimes, permettant le suivi de molécules uniques, ainsi que leur résolution nanométrique dévoilent, pour la première fois, l’organisation et les mécanismes intracellulaires au niveau moléculaire. L’objectif de ce projet est d’introduire un nouveau concept en microscopie optique super-résolue. La Microscopie Super-résolue Modulée (MSM) représente une approche radicalement nouvelle pour coder une information provenant d’émetteurs individuels. Cette information modulée est extraite par une détection homodyne multiplexée originale tirant pleinement profit des spécificités liées à la microscopie super-résolue, en particulier la distribution clairsemée des émetteurs. La MSM apporte ainsi l’ensemble des avantages de la détection homodyne en microscopie super-résolue. Or ces avantages sont particulièrement pertinents notamment en termes d’insensibilité aux fluctuations lumineuses et de gain de rapport signal/bruit. De plus, le concept étant générique, il est décliné dans le projet pour repousser les limites des techniques actuelles, notamment en termes de résolution ou de dynamique, et pour réaliser de nouvelles fonctionnalités comme la microscopie orientationnelle à l’échelle de la molécule individuelle. En MSM, la modulation spatiale de l’excitation lumineuse permet de coder la position transverse des émetteurs. Les modèles développés permettent d’espérer un gain de localisation d’un ordre de grandeur par rapport aux techniques standard (centroïdes). Les expériences préliminaires sont extrêmement encourageantes, montrant déjà des localisations record de l’ordre du nanomètre. La résolution axiale, permettant d’accéder à une imagerie 3D, représente toujours à l’heure actuelle un enjeu crucial en microscopie super-résolue requérant des techniques additionnelles complexes. Ce projet propose une solution originale en MSM pour coder cette information basée sur l’utilisation de franges d’interférence inclinées. Cette modalité peut être implémentée simplement sur un microscope 2D super-résolu standard. Il devrait offrir une iso-résolution 3D sans altérer la résolution latérale. De plus, la détection homodyne étant peu sensible aux aberrations induites par la traversée du milieu biologique, la dynamique de cette technique devrait être bien plus grande que celle associée aux techniques standards. Accéder à une imagerie de l’environnement local ou de l’orientation à l’échelle de chaque molécule individuelle à l’intérieur d’une cellule représenterait une véritable révolution en biologie en permettant d’aller au-delà de mesures statistiques moyennées. Or, malgré les efforts de nombreuses équipes de recherche dans ce domaine, ceci demeure très difficile, voire impossible. La MSM permet d’accéder à ces informations en codant la polarisation ou la durée de vie de fluorescence. Compatible avec les microscopies de super-résolution standard, sans en dégrader les performances, ce codage utilise l’ensemble des photons émis pour extraire l’information d’une molécule unique. La variabilité inter-moléculaire devient une nouvelle source d’information extraordinaire pour la compréhension des mécanismes cellulaires. Ce projet veut également démontrer les performances et l’intérêt de la MSM en répondant à des questions biologiques majeures. Les microtubules représentent un objet de référence pour la microscopie super-résolue mais au-delà, il apparaît depuis peu que l’architecture nanométrique fine du cytosquelette détermine en partie sa dynamique et donc impacte activité, polarisation et migration cellulaires, qui sont altérées dans les cellules cancéreuses et sont la cible du traitement par les agents anti-mitotiques. Différentes implémentations de la MSM permettront de les réveler dans ce projet. La technologie au cœur de ce projet est brevetée et la valorisation sera une préoccupation constante du consortium.

Les capteurs basés sur la spectroscopie d'absorption dans le mid-IR ont démontré d’excellentes caractéristiques et cela sans l’utilisation de marqueurs spécifiques pour la détection de substances chimiques et biologiques. Cependant, ces capteurs sont encombrants et chères, ce qui empêche leur utilisation courante. Le projet MIR-Spec propose d’explorer un nouveau type de spectromètres d'absorption dans le mid-IR pour surmonter ces limitations. Le concept innovant est basé sur l’utilisation de nanostructures sub-longueurs d’onde en silicium en exploitant toute la fenêtre de transparence du Si (jusqu'à ~ 8 µm en longueur d'onde). Ces travaux vont conduire au développement d’une nouvelle plate-forme photonique pour des applications dans le mid-IR. Le projet MIR-Spec est un Projets de recherche collaboratifs - Entreprises, qui rassemble un groupe de recherche académique (C2N), une fonderie Si (STMircroelectronics) et un utilisateur final (MirSense).

Le projet mEtaNiZo vise à utiliser des modes électromagnétiques spéciaux pour exalter l'interaction lumière-matière en vue de réaliser un nouveau type de photodétecteur infrarouge. Ces modes électromagnétiques, appelés modes ENZ (« epsilon near zero » pour fonction diélectrique proche de zéro) et ont été introduits par des membres du consortium (5 papiers dans des journaux à comité de lecture totalisant plus de 180 citations depuis 2012, et deux brevets). Ces modes ENZ possèdent d'excellentes propriétés d'exaltation et surtout de confinement du champ électromagnétique. Ils ont été étudiés de manière théorique par des membres du consortium mais ont aussi donné lieu à la réalisation d’un modulateur de réflectivité à contrôle électrique. Basé sur un mode ENZ supporté par un puits quantique unique, il permet une modulation de réflectivité à une longueur d'onde de 34.4 microns, à température ambiante, ce qui démontre le fort potentiel de ces modes pour l'exaltation de l'interaction lumière-matière. Basé sur ce succès, nous avons élargi le consortium avec un partenaire industriel, ce qui étend nos domaines de compétences, d'expertise et nos capacités techniques pour atteindre nos nouveaux objectifs. Les modes ENZ sont encore nouveaux dans la littérature et n'ont, à notre connaissance, pas encore été utilisés pour la photodétection. Des travaux préliminaires réalisés par le consortium montrent que, dans des conditions particulières, une anisotropie dans les fonctions diélectriques des matériaux utilisés améliore les effets recherchés, et donne aussi naissance à d'autres types de modes qui bénéficient aussi de l'effet ENZ. Le projet se divise en deux axes majeurs. Un premier axe sera focalisé sur la physique des modes ENZ dans des structures isotropes et anisotropes, sur la mise en œuvre de métamatériaux aux propriétés optiques et électroniques combinées, sur l'interaction des modes ENZ avec le transport électronique, menant au principe de photodétection dans de tels systèmes. Un deuxième axe est la mise en œuvre expérimentale de ces concepts par la conception, fabrication et réalisation de photo-détecteurs mettant en jeu les modes ENZ. En utilisant ces modes ENZ, le consortium a pour objectif de démontrer la photodétection à température ambiante dans l'infrarouge très lointain (30-40 µm dans notre projet) avec un détecteur de type photoconductif, et d'augmenter la température de fonctionnement des détecteurs quantiques de 10-20K dans l'infrarouge lointain (8-15 µm). Dans une seconde étape, de nouvelles structures seront conçues. Pour les détecteur de types photoconductifs, nous étudierons le système GaN-AlGaN très prometteur, pour une détection dans une bande 11-14µm à température ambiante. Pour les détecteurs quantiques, une absorption multi-photonique grâce au champ exalté permettrait d’augmenter la température de fonctionnement jusqu’à 150K. L'impact de ce projet est très large, de la compréhension fondamentale de la physique mise en jeu, au développement de concepts de rupture pour la réalisation de photodétecteurs. Augmenter la température de fonctionnement des détecteurs infrarouges va élargir les marchés accessibles. Des contraintes moins fortes en terme de refroidissement permettront une implémentation plus large, et une réduction des coûts d'usage de ces systèmes. Augmenter l'efficacité de détection introduit aussi des systèmes rapides (temps d'intégration plus courts) qui peuvent faire la différence face aux technologies existantes. Ce projet peut donc mener à une rupture technologique majeure dans la photodétection infrarouge et donner une réelle avance de phase aussi bien aux partenaires académiques qu'industriels de ce projet. Nous sommes aussi convaincus que de tels détecteurs seraient parfaitement complémentaires des sources infrarouges proposées commercialement par mirSense, une spin-off d'un membre du consortium. Des systèmes complets intégrés sont proposés comme perspectives à ce projet.

Les avancées notables de la médecine et du diagnostic médical réalisées dans la compréhension des maladies et les façons de les traiter ont toujours été accompagnées des progrès de la physique, de l’optique et de l’électronique qui ont permis d’observer le vivant avec une acuité croissante. De nos jours, les moyens d’observer les cellules, les tissus ou le corps humain sont tels, que la quantité de données issues de ces observations est gigantesque, trop grande pour qu’un humain puisse les intégrer à lui seul. Elle est si grande qu’on l’a personnifiée en lui donnant le nom de « big data ». Malgré cela, le corps humain et les cellules demeurent une dimension territoriale à explorer aussi vaste peut-être que notre univers. Même si les progrès sont notables et qu’ils s’accélèrent depuis l’avènement du troisième millénaire, on ne sait en fait que très peu de choses sur les mécanismes cellulaires et biochimiques du cancer par exemple. On en veut pour preuve la difficulté que la médecine a pour détecter précocement les cancers, pour anticiper leurs récidives et à pratiquer ce dont tout le monde parle, la « médecine personnalisée ». Nous avons donc décidé de nous rassembler, fondamentalistes, cliniciens, chirurgiens et biologistes, académiques et industriels, dans une synergie de recherche commune, avec une même vision de la recherche, le même esprit, la même énergie positive, pour travailler non plus en parallèle mais ensemble. Cet aspect est loin d’être trivial et est la première originalité de notre projet. Nous espérons que le lecteur pourra sentir cela au travers de la lecture du manuscrit. Notre équipe s’est attelé à concevoir de nouveaux outils pour la médecine personnalisée qui se tourne aujourd’hui vers de nouveaux challenges tels que les cellules tumorales circulantes et les vésicules extracellulaires dont les exosomes sont les plus représentatifs. Ces éléments figurés contiennent une mosaïque complexe de molécules du signal biologique, qu’ils véhiculent dans tout l’organisme en faisant la navette entre toutes les cellules. Ils participent à la genèse du cancer, à sa propagation et probablement à sa résistance à la chimiothérapie et à la radiothérapie. Ces éléments sont si petits qu’aucun instrument de laboratoire n’est capable de nos jours d’en analyser le contenu ou la surface de façon reproductible. Nous proposons donc de mettre au point un instrument de laboratoire miniaturisé embarquant des nanopores couplés à un système microfluidique capable de quantifier le contenu métabolomique ou protéomique d’une cellule ou d’un exosome. Nous bénéficions d’un consortium d’experts qualifiés dans tous les domaines qui nous sont utiles y compris un industriel capable de valoriser nos innovations et d’un brevet protégeant un premier prototype. Nous travaux nous offrent une fabuleuse opportunité de mieux comprendre les mécanismes du cancer et ouvre un marché de la médecine et de la biologie ambulatoires de plusieurs milliards d’euros. Cet appel d’offre revêt une importance économique capitale pour la recherche et l’industrie françaises dans un contexte international extrêmement compétitif au regard de la taille des marchés ciblés.

Nous développons une nouvelle technique pour améliorer la sensibilité et la résolution de microscopies optiques à grand champ en utilisant un guide d'onde à réseau résonant. Deux voies seront explorées: i) amélioration de fluorescence de nanoparticules par le guide d’onde à réseau résonant pour construire un microscope en fluorescence de grand champ; ii) contrôle de phase du mode résonant pour obtenir un microscope à contraste de phase, sans marquage. Parallèlement, nous proposons d’exploiter l’effet de réflexion hyper-spectrale du guide d’onde à réseau résonant pour réaliser un capteur bio/chimique ultra-sensible. Ce projet sera réalisé conjointement entre les deux laboratoires français (Laboratoire de photonique quantique et moléculaire de l'Ecole normale supérieure de Cachan, et Laboratoire Charles Fabry de l'Institut d' Optique Graduate School) et deux laboratoires taïwanais (Physique et Science de vie de l'Université nationale de Chung Cheng).

Les récepteurs couplés aux protéines G (RCPG) constituent la principale famille de récepteurs membranaires responsables de la communication cellulaire. Ils sont impliqués dans la plupart des processus physiologiques et patho-physiologiques et constituent une cible majeure pour des candidats médicaments. La transmission du signal via les RCPG est complexe. En effet, un même récepteur peut activer des voies de signalisation multiples associées à des effecteurs distincts (protéines G, arrestines). Par conséquent, un ligand, qualifié de ligand biaisé, pourra avoir une efficacité distincte vis à vis de ces différentes voies. Par ailleurs, de nombreux partenaires des RCPG sont capables d'affecter, de façon allostérique, la transmission du signal. Parmi eux se trouvent des molécules de synthèse, les protéines de signalisation, des partenaires de dimérisation ou les lipides constituant l'environnement membranaire du récepteur. Comprendre comment se fait cette signalisation impose, de facto, de définir les mécanismes sous-jacents à tous ces processus. Le modèle en cours suppose que la multiplicité fonctionnelle des RCPG est liée à leur forte dynamique conformationnelle : les RCPG seraient des protéines particulièrement flexibles pouvant adopter de multiples conformations, chacune associée à un profil de signalisation donné. Les ligands, les partenaires protéiques et l'environnement membranaire pourraient moduler la dynamique d'interconversion entre les différents états, expliquant ainsi la signalisation biaisée et la modulation allostérique. Cependant, les preuves expérimentales permettant d'étayer ce modèle sont parcellaires. En effet, même si de nombreuses structures cristallographiques de RCPG ont été obtenues à ce jour, elles ne représentent qu'un échantillon très limité de la palette d'états conformationnels que peut adopter un récepteur. Seule la combinaison de méthodes biophysiques avec des résolutions spatiales et temporelles complémentaires pourra apporter une description complète de l'espace conformationnels que peut explorer un RCPG. Dans ce contexte, nous proposons d'étudier le dialogue conformationnel se produisant au cours de deux des principaux événements de la signalisation : la liaison du ligand et l'activation du récepteur. Nous utiliserons pour cela une stratégie fondée sur l'utilisation concertée des méthodes de RMN en solution et de dynamique moléculaire, principalement. Ces méthodes seront appliquées aux récepteurs de la ghréline (GHSR) et aux opiacés (KOP). En plus d'être des prototypes de RCPG, ces deux récepteurs sont des cibles importantes pour des applications biomédicales. En effet, des ligands du GHSR pourraient être utilisés dans le traitement de l'obésité, du diabète et de l'addiction alors que ceux du KOP devraient avoir un effet analgésique et anti-addictif. Plus précisément, nous nous proposons d'apporter une description des paramètres structuraux, thermodynamiques et cinétiques de la liaison des ligands par des mesures de RMN, de calorimétrie et de fluorescence (Tâche 1). En parallèle, nous analyserons, par RMN en solution et modélisation moléculaire, la dynamique conformationnelle des deux récepteurs et la façon dont elle est influencée par les ligands, l'environnement lipidique ou des partenaires protéiques (Tâche 2). Ces travaux s'appuieront sur les systèmes modèles développés au cours des dernières années par les membres du consortium (récepteurs purifiés reconstitués dans des nanodisques lipidiques, protéines de signalisation), ce qui garantit leur faisabilité. Il est ainsi à attendre de ces études une description détaillée des évènements moléculaires reliant la liaison d'un ligand à la stabilisation d’une conformation spécifique du récepteur puis à l'activation sélective d'une voie de signalisation. Ce faisant, elles pourraient également permettre de guider, sur des bases rationnelles, la conception de composés à visée thérapeutiques plus spécifiques et mieux ciblés.

La formation de liaisons carbone-carbone est un enjeu majeur pour l’industrie chimique. Néanmoins, seules quelques méthodologies sont disponibles pour la formation de liaisons carbone-carbone (C-C) sur des atomes de carbone non activés. Ces méthodes nécessitent le plus souvent l’utilisation de métaux nobles et des conditions expérimentales stringentes, peu compatibles avec les principes de la chimie verte et le développement durable. Il est donc d’un intérêt majeur de développer de nouvelles méthodologies et catalyseurs permettant la formation sélective de liaisons C-C. D’une manière fascinante, la méthylation de liaisons C-H non activées dans le vivant dépend exclusivement d’une nouvelle superfamille de métalloenzymes, appelées : « enzymes à SAM radical ». Ces enzymes utilisent des mécanismes sans précédent pour former des liaisons C-C. Les enzymes à SAM radical sont sans aucun doute les catalyseurs radicalaires les plus diversifiés et les plus versatiles du vivant, englobant plus de 300 000 membres et catalysant plus de 70 types de transformation biochimiques. Cela inclut virtuellement tous les types de réactions chimiques, dont certaines ne sont pas accessibles par la chimie de synthèse, comme l’a récemment démontré le coordinateur du projet Carb2zyme. Ces enzymes, en plus de catalyser des transformations uniques, ont des rôles biologiques majeurs. En effet, elles jouent un rôle central pour la biosynthèse d’une myriade de produits naturels y compris des antibiotiques majeurs (carbapénèmes, thiopeptides, gentamycine etc…), des agents anticancéreux et des toxines. Cependant, nous n’avons à ce jour qu’une connaissance très limitée de leurs mécanismes, et il n’est encore pas compris comment ces enzymes catalysent la formation de liaisons C-C impliquant des atomes de carbone non activés. Le projet Carb2zyme a pour objectifs (i) de décrypter le mécanisme complexe et sans précédent de nouvelles enzymes à SAM radical et (ii) de développer des catalyseurs innovants pour la synthèse de liaisons C-C, essentielle en chimie de synthèse. Au cours de ce projet, nous focaliserons sur les enzymes à SAM radical dépendantes de la vitamine B12 (cobalamine), catalysant le transfert de groupements méthyle à des atomes de carbone non activés, hybridés sp2 ou sp3. Actuellement, très peu d’enzymes de cette famille ont été étudiées et les partenaires de ce projet ont publiés des travaux pionniers (Pierre et al. 2012 Nature Chem Biol; Benjdia et al. 2015 Nature Commun; Parent et al. JACS 2016) démontrant la capacité unique de ces enzymes à catalyser la formation de liaisons C-C sur des atomes de carbone hybridés sp3 et sp2 via des mécanismes qui restent à élucider. Le consortium Carb2zyme réunit quatre partenaires de renommée internationale dotés d’expertises complémentaires dans les domaines de la biochimie, la chimie bio-inorganique, la chimie de synthèse et la biologie structurale. En combinant des approches multidisciplinaires et des technologies de pointe, nous ferons des progrès majeurs dans notre connaissance de ces enzymes uniques aux niveaux mécanistique et structural. Non seulement le projet Carb2zyme aura un impact majeur en biochimie et biologie structurale mais il sera également le point de départ pour la génération de nouveaux catalyseurs bio-inspirés par le développement de nouvelles métalloenzymes artificielles. Le projet Carb2zyme aura donc un impact scientifique et sociétale majeur allant des aspects catalytiques jusqu’à la biosynthèse de produits naturels.

L’étude de la cinétique enzymatique et du métabolisme cellulaire est centrale pour la compréhension de la fonction cellulaire et des maladies métaboliques. Dans les cas d’affections génétiques, la capacité d’adaptation des enzymes cellulaires détermine souvent la sévérité de la maladie. Plus de 500 maladies sont dues à des défauts du métabolisme. L'analyse des voies métaboliques et de leurs rapports représente une approche novatrice pour identifier de nouvelles cibles et molecules thérapeutiques. Un exemple récent impressionnant à cet égard est celui de la sclérose en plaques, dans laquelle l'administration de biotine, cofacteur de plusieurs enzymes clefs, permet une amélioration clinique. Une description détaillée des flux métaboliques dans la cellule est donc de prime importance pour comprendre et suppléer aux erreurs du métabolisme. Certaines voies métaboliques dans la cellule ont été modélisées numériquement, permettant de prévoir les effets de certaines substances sur la régulation des flux métaboliques. Cependant, très peu de telles prédictions ont été confrontées à des données expérimentales, comme dans le simple cas de la glycolyse. Nous étudierons en détails la phase oxydative du cycle des pentoses phosphates (CPP). Cette étape comprend une cascade de trois enzymes, la glucose-6-phosphate deshydrogénase (G6PDH), la 6-phosphogluconolactonase (6PGL) et la 6-phosphogluconate deshydrogénase (6PGDH). Cette étape produit le NADPH qui est un puissant anti-oxydant, également impliqué dans la biosynthèse des macromolécules et des acides gras. L’activité du CPP est modulée par de nombreux facteurs et son altération peut gravement affecter le fonctionnement de la cellule. Ces notions justifient pleinement une étude en profondeur des étapes individuelles ainsi qu’une étude globale de sa cinétique et de ses couplages à d’autres voies métaboliques. Nous étudierons chacune des enzymes de la phase oxydative du CPP, puis celui-ci de manière globale ; in vitro et dans des suspensions de cellules (CHO,... et Trypanosoma brucei, l'agent infectieux de la maladie du sommeil) de façon à se placer dans des conditions "pseudo-physiologiques", où les interactions avec d'autres voies métaboliques sont présentes. Ces études sont rendues possibles par les techniques de Polarisation Nucléaire Dynamique avec Dissolution (D-DNP) qui permettent des amplifications de signal de résonance magnétique nucléaire inédits de 4-5 ordres de grandeur. Cette augmentation de sensibilité permet de suivre la cinétique enzymatique par RMN avec une résolution temporelle inférieure à la seconde. L'observation du signal RMN par D-DNP des métabolites des enzymes du CPP permettra l'étude de leurs cinétiques individuelles et de la dynamique globale du cycle. Les effets de diverses drogues et inhibiteurs spécifiques seront ainsi repérés et quantifiés. Nous développerons et utiliserons la D-DNP pour aboutir à l'analyse quantitative de la cinétique enzymatique résolue en temps et accéder aux valeurs des constantes cinétiques, ce qui est impossible par les méthodes usuelles. La 6PGL de Trypanosoma brucei pourrait représenter une cible thérapeutique dans la maladie du sommeil. Ceci est suggéré par le fait que le CPP est présent non seulement dans le cytosol, mais aussi dans le glycosome, une organelle absente chez l'homme. Ceci pourrait augmenter la sélectivité de la toxicité de drogues envers le parasite. De plus, la toxicité des lactones, normalement évitée par la 6PGL, pourrait potentialiser cet effet. Ces perspectives sont d'autant plus intéressantes que l'arsenal thérapeutique contre T. brucei est limité, peu efficace et très toxique. Certains travaux récents évoquant la 6PDH comme cible potentielle sont une motivation supplémentaire. Dans cette optique, le premier inhibiteur de la 6PGL, synthétisé par le partenaire 3 sera également étudié par D-DNP, seul et en association avec des inhibiteurs du CPP et des molécules trypanocides, sur différentes lignées de T. brucei.

Les centres fer-soufre (Fe-S) sont des groupes prosthétiques de protéines essentiels. Les défauts de synthèse des centres Fe-S conduisent à des maladies humaines graves telles que l'ataxie de Friedreich (FA), une maladie cardiaque et neurodégénérative due à un défaut d'expression de la frataxine. Bien que la thérapie génique apporte aujourd’hui des résultats prometteurs, la nécessité de délivrer ces médicaments de manière locale au site affecté (cervelet et coeur) reste un défi pour le développement de ce type de thérapie. Plusieurs médicaments visant à restaurer le taux de frataxine et à mimer sa fonction sont actuellement en test clinique, mais les résultats ne sont pas concluants. La raison principale est que la fonction moléculaire de la frataxine reste inconnue. Un rôle de chaperonne à fer a été proposé mais ce modèle est aujourd’hui controversé. Nos études suggèrent plutôt que la frataxine est impliquée dans la mobilisation du soufre pour la protéine d'échafaudage ISCU, sur laquelle sont assemblés les centres Fe-S. Cependant, les mécanismes d'assemblage des centres Fe-S restent très mal compris, ce qui est obstacle pour clairement définir la fonction moléculaire de la frataxine et par conséquent pour le développement de nouvelles thérapies destinées à substituer la frataxine. Pour commencer à répondre à ces questions, nous avons reconstitué la machinerie mitochondriale d'assemblage des centres Fe-S. Nous sommes parvenu à caractériser pour la première fois, une forme d’ISCU contenant du fer et compétente pour l'assemblage des centres Fe-S dans des conditions physiologiquement pertinentes. A l’aide de ce système nous avons entrepris une étude étape par étape. Nos données préliminaires indiquent que la frataxine n'est pas nécessaire pour l'insertion du fer, mais qu'elle intervient dans une étape ultérieure. Le processus d’assemblage semble être initié par la synchronisation de l'apport de fer et de soufre à ISCU. Cette étape repose sur une réaction inédite de transfert de persulfure assistée par le fer d’ISCU, entre la désulfurase de cystéine NFS1 et ISCU. Dans une seconde étape, le persulfure transféré à ISCU est réduit par la ferredoxine FDX2 en ion sulfure. Cette réaction semble également être assistée par le fer, ce qui permettrait in fine l’association du fer et de l’ion sulfure généré afin d’éviter sa diffusion en dehors du complexe. De manière importante, nos données indiquent que la frataxine stimule l'assemblage de centre Fe-S en augmentant la vitesse de la réaction de transfert de persulfure assistée par le fer, potentiellement en modulant la structure du centre fer. Ces données semblent donc indiquer un changement de paradigme pour la fonction moléculaire de la frataxine et donner une description rationnelle du processus d’assemblage. L'objectif de ce projet est d'étudier de manière détaillée le mécanisme d'assemblage des centres Fe-S ainsi que l'effet de la frataxine sur cette réaction en utilisant des méthodes biochimiques, spectroscopiques et structurales, combinées à des approches cellulaires pour i) valider la pertinence physiologique de notre machinerie reconstituée, ii) clairement élucider le rôle de la frataxine dans ce processus et iii) proposer une base structurale pour cette réaction à l'échelle atomique. Les principaux résultats attendus pour ce projet sont: 1) démontrer comment la frataxine stimule l'assemblage de centre Fe-S pour mieux définir la physiopathologie de FA, 2) mettre en place un test pertinent d'un point de vue physiologique pour le criblage à grande échelle de médicaments mimant la frataxine, 3) proposer une base structurale pour l'effet de la frataxine afin de permettre la conception de composés mimant la frataxine et 4) proposer une description claire du processus d'assemblage des centres Fe-S dans la mitochondrie comme base pour élucider l’ensemble des processus de biogenèse des centres Fe-S dans mitochondrie et dans le cytoplasme.

Les rétroéléments se répliquent par transcription inverse de leur génome ARN en un ADN complémentaire qui est intégré de manière stable dans le génome de la cellule hôte par leur intégrase (IN). L'intégration n’est pas aléatoire in vivo. La spécificité d’intégration des rétroéléments dépend principalement de l'interaction de l’IN avec des facteurs cellulaires qui vont diriger l’insertion virale vers des régions préférentielles. Cependant, les bases moléculaires régissant le choix du site d’intégration restent encore mal comprises. L’étude des rétrotransposons Ty1 et Ty3 de levure a contribué à une meilleure connaissance de la biologie des rétroéléments. Ils s’intègrent au niveau des gènes transcrits par l’ARN Polymérase III (Pol III), qui sont des régions pauvres en gènes. Cette remarquable sélectivité du site d'intégration a été étudiée in vivo et in vitro; Toutefois, il n'existe aucune information structurale sur le processus d'intégration ou d'interaction avec la Pol III. Ce projet vise à comprendre comment les interactions entre les intégrases de Ty1 et Ty3 et les différents constituants de la machinerie de transcription par la Pol III contribuent à l’intégration ciblée. Notre stratégie sera d'obtenir et de caractériser les structures des intégrases de Ty1 et Ty3, et également celles des complexes obtenus avec leurs partenaires de la machinerie Pol III, afin de disséquer les mécanismes moléculaires impliqués dans ces interactions. Nous suivrons le programme suivant : 1) exprimer et analyser les propriétés biophysiques des complexes IN-Pol III - produire des protéines actives homogènes impliquées dans le processus d'intégration; - utiliser des techniques biochimiques et biophysiques pour caractériser l'interaction des INs avec l’ADN viral et leurs partenaires Pol III respectifs, et définir les conditions optimales pour assembler et purifier des complexes stables. 2) caractériser au niveau atomique le mécanisme d'intégration de Ty1 et Ty3 et les interactions avec la machinerie Pol III - cristalliser et caractériser la structure des protéines IN apo et complexées avec l'ADN. Notre objectif est d'isoler, stabiliser et déterminer la structure des intermédiaires d'intégration pour définir le mécanisme d'intégration; - analyser les complexes IN-Pol III par cryo-EM et les comparer aux modèles atomiques de Pol III libre ou à la structure cristallographique de TFIIIB. 3) construire des IN rétrovirales chimères dotées de la spécificité d’intégration de Ty1 - identifier les acides aminés responsables de l'interaction directe entre l’IN de Ty1 et Pol III; - analyser in vivo l'impact des mutations qui abolissent ces interactions sur l'intégration ciblée de Ty1; - étudier si l'interaction Ty1 IN-Pol III est régulée par des modifications post-traductionnelles; - concevoir des IN rétrovirales chimériques dotées des préférences d'intégration de Ty1 qui pourraient être utilisées dans des vecteurs de transfert de gènes. Plusieurs résultats sont attendus : - la première caractérisation structurale de l'interaction entre un complexe multi-protéique et une intégrase de rétroélement, qui devrait permettre d’expliquer comment les interactions IN/Pol III contribuent à la sélection du site d'intégration ; - une meilleure compréhension des mécanismes régulant la spécificité d'intégration des rétrovirus. Ces résultats auront un impact important sur la santé humaine en fournissant des outils précieux pour la conception de nouvelles molécules modulant l'intégration rétrovirale. - la possibilité de modifier les préférences d'intégration d'autres rétrovirus. Cette avancée constituerait une contribution majeure au développement d'une nouvelle génération de vecteurs de thérapie génique plus sûrs qui cibleraient préférentiellement des régions non essentielles du génome. Avec ce projet, nous devrions apporter une preuve de concept qu’il est possible de construire de tels vecteurs.

Les récepteurs nicotiniques de l’acétylcholine (nAChR) sont des récepteur-canaux pentamériques qui assurent la communication excitatrice entre neurones. Dans le cerveau, le nAChR majeur est généré par l’association des sous-unités a4 et ß2, et une sous-population mineure contient également la sous-unité a5 (a4ß2a5 nAChRs). Des données génomiques récentes ont démontré un lien entre un polymorphisme très répandu (SNP) de la sous-unité a5 et l’addiction au tabac et au cancer du poumon. Ce polymorphisme génère une perte de fonction des a4ß2a5 nAChRs. Il est donc anticipé qu’une potentiation spécifique de ces récepteurs par un potentiateur allostérique spécifique de la sous-unité a5 (PAMa5) serait un traitement de la dépendance à la nicotine. A ce jour, la sous-unité a5 est “orpheline” sans ligand connu. Pour découvrir de novo un PAMa5, nous proposons de cibler un site de liaison unique à l’interface entre les sous-unité a5 et a4. Ce site a5/a4 est homologue au site qui lie l’ACh à l’interface a4/ß2. Nous développerons une approche rationnelle en utilisant des nAChRs modifiés. Nous avons développé un modèle du site a5/a4 nommé AChBP-5/4. L’AChBP est une protéine homologue au domaine extracellulaire des nAChRs, et nous l’avons muté en 25 positions pour reconstituer un site a5/a4 intégral. L’AChBP-5/4 permet de réaliser des expériences de liaison par résonance plasmonique de surface (SPR) et des structures cristallographiques. Nous avons déjà identifié quelques alcaloïdes se liant sur l’AChBP-5/4. En parallèle, nous avons développé des concatémères pentamériques du a4ß2a5 nAChR qui permettront des expériences d’électrophysiologie précises. A partir de ce corpus d’expériences préliminaires, nous développerons une approche de découverte de ligands basée sur les fragments. Nous générerons une librairie de fragments dérivés d’alcaloïdes, qui seront criblés pour leur liaison à l’AChBP-5/4 par « docking » in silico, liaison par SPR et cristallographie. Ils seront également testés sur les concatémères pour leur pouvoir modulateur par électrophysiologie, et sur des modèles in silico des a4ß2a5 nAChRs qui simulent leur chemin conformationel d’activation. Les fragments identifiés seront reconstruits en molécules plus affines, par les techniques de liaison et de fusion chimique, et également par « click-chemistry » in situ sur l’AChBP-5/4. Ainsi, nous proposons une approche intégrée pour relever le défi de trouver de novo un PAMa5. Le projet est basé sur de données préliminaires importantes, et nous combinerons plusieurs stratégies en parallèle pour augmenter nos chances de succès. Les PAMa5 seront précieux pour étudier la contribution de la sous-unité a5 aux mécanismes moléculaires et allostériques des nAChRs. Ils permettront également d’étudier les nAChRs natifs, par exemple dans les tranches de cerveau ou dans l’animal vivant, pour établir la contribution de la sous-unité a5 aux processus physiopatholoqiques. Plusieurs compagnies pharmaceutiques développent des ligands nicotiniques, et les composés identifiés seront brevetés avant de contacter les industriels, avec une indication bien établie pour le sevrage tabagique. A coté de ces impacts, notre stratégie expérimentale pourra être généralisée aux autres interfaces des nAChRs présents dans le cerveau et à la périphérie, ouvrant la voie au développement de nouvelles classes de composés spécifiques.

A. CONTEXTE Ce projet aborde le stress oxydant et le vieillissement par l’étude des peroxiredoxines (Prx), des peroxydases à cystéine catalytique (CP), impliquées dans la signalisation H2O2. La suroxydation de CP par H2O2 inactive ces fonctions et confère aux Prxs une activité chaperon de type holdase. La sulfiredoxine catalyse la réduction de la CP, régulant ainsi les fonctions des Prx. Nous avons montré récemment qu’une copie supplémentaire du gène TSA1, codant la Prx majeure de S. cerevisiae, accroit la durée de vie réplicative de la levure via une nouvelle voie contrôle de qualité des protéines (PQC) impliquant les chaperons Hsp70. Nous avons aussi montré que l’adaptation de la levure à des concentrations extrêmes d’H2O2 dépendait uniquement de l’activité peroxydase de Tsa1. TSA1 et similairement, les Prx d’autres organismes possèdent des phénotypes très riches, mais, à l’exception des deux exemples ci-dessus, il est généralement impossible de les corréler à une des fonctions moléculaires des Prxs. La relation structure-fonction des Prx est bien décrite pour la fonction peroxydase, mais pas pour la fonction PQC, encore peu définie. B. OBJECTIF GÉNÉRAL Ce projet vise à élucider les mécanismes sous-tendant les fonctions des Prx in vivo et à associer systématiquement activité enzymatique et phénotype durant le stress oxydant et le vieillissement, ce qui implique d’élucider le mécanisme de l’activité PQC. Le projet vise de plus à explorer l’hypothèse d’un rôle des Prx dans les effets protecteurs de H2S vis-à-vis de H2O2. C. STRATÉGIE 1. Générer des mutants séparant de façon non ambiguë les activités peroxydase et chaperons des Prx, aujourd’hui la meilleure stratégie d’étude en raison de l’intrication moléculaire de ces fonctions: - Par ingénierie structure-fonction, - Par sélection de mutants TSA1 générés au hasard dans des conditions dans lesquelles l’une ou l’autre des fonctions de Tsa1 est nécessaire à la viabilité, et grâce à un système microfluidique permettant de suivre l’adaptation au stress H2O2 et le vieillissement réplicatif sur cellule unique de levure. 2. Caractérisation complète des mutants - In vitro par des approches biophysiques et biochimiques - In vivo par des approches de biologie et biochimie cellulaires 3. Explorer les effets de H2S dans le vieillissement et le stress H2O2 et de leur modulation par les Prx, par la mise en place d’une souche de levure surproduisant H2S de façon conditionnelle, et tester l’hypothèse d’un rôle direct des Prx en tant qu’oxydase d’H2S. 4. Corréler systématiquement activités enzymatiques et phénotypes, dans les conditions calibrées (i) utilisées pour le du criblage des mutants, et (ii) dont la dépendance à TSA1 est inconnue et sera ainsi révélée. D. CONSORTIUM Le projet s’appuie sur une forte complémentarité et synergie entre trois équipes ayant collaboré aux données préliminaires du projet et conçu son approche stratégique. M. Toledano (CEA-Saclay, coordinateur), expert en génétique de levure et biochimie du stress oxydant et des protéines redox et G. Charvin (CNRS-IGBMC, Strasbourg), expert en biologie des systèmes, conduiront les essais de tolérance à H2O2 et de vieillissement réplicatif grâce à un système de microfluidique qu’il a inventé ; S. Rahuel-Clermont (CNRS-Nancy), experte en enzymologie moléculaire qui concevra les mutants avec M. Toledano et conduira les analyses in vitro des mutants. E. RÉSULTATS ATTENDUS Le projet contribuera à élucider les relations structure-fonction des Prx, leur rôle physiologique, et réciproquement repousser les limites des connaissances des processus moléculaires responsables du stress oxydant et du vieillissement, afin d’ouvrir de nouvelles voies thérapeutiques des maladies liées au vieillissement, en particulier neurodégénératives et cancer.

Au début du processus infectieux, les phages déjouent les mécanismes de défense et détournent les fonctions cellulaires de l'hôte à leur profit. Bien que les phages aient été découverts il y a maintenant un siècle, et qu'ils soient à l'origine de nombreuses avancées scientifiques et biotechnologiques, les mécanismes d'infection qu'ils mettent en œuvre au début de leur cycle infectieux sont encore mal compris. Le phage T5 transfère son ADN dans le cytoplasme de la bactérie Escherichia coli en deux étapes. Ce système constitue un modèle privilégié pour étudier le détournement des fonctions cellulaires indépendamment des autres étapes du développement viral. Les gènes de T5 responsables du détournement des fonctions de la bactérie sont exprimés avant le transfert complet du génome viral et l'infection peut être bloquée à ce stade. Cette première étape conduit à la dégradation rapide de l'ADN bactérien et à l'inhibition de l'expression des gènes précoces du phage. Le transfert de l'ADN reprend ensuite et cette deuxième étape permet de compléter le cycle infectieux jusqu'à la production de nouveaux phages. On sait depuis plus de 50 ans que deux protéines codées par le premier fragment d'ADN injecté, A1 et A2, sont essentielles pour le bon déroulement de ces évènements précoces. Cependant leur fonction n'est toujours pas élucidée. Nous avons récemment démontré que A1 est une nucléase et que A2 est un régulateur transcriptionnel. Le projet TakeoverBac propose une étude pluridisciplinaire et intégrative des protéines A1 et A2. Nous voulons explorer leurs propriétés fonctionnelles in vitro et in vivo dans le but de: (1) comprendre comment l'activité nucléase de A1 détruit le génome bactérien et si cette activité est corrélée à la reprise du transfert de l'ADN viral. (2) élucider comment la transcription des gènes du phage et de la bactérie est orchestrée par A2. (3) identifier les protéines partenaires de A1 et A2 qui sont essentielles pour l'infection. Le consortium TakeoverBac qui regroupe des compétences en biologie des phages, génétique bactérienne, biochimie et biologie structurale, conduira une étude moléculaire et cellulaire de la prise de contrôle des bactéries par les phages. L'ensemble de ce projet mettra en évidence des fonctions vitales de la bactérie spécifiquement ciblées par le phage T5. Aujourd'hui, notre société doit faire face à l'augmentation alarmante de bactéries pathogènes multi-résistantes aux antibiotiques et à une lacune dans le développement de nouvelles molécules antibactériennes. Notre étude permettra d'initier de nouveaux axes de recherche, ce qui est essentiel dans ce contexte préoccupant. Les résultats de ce projet ouvriront des perspectives pour le développement d'outils inspirés par les phages, utiles pour la recherche et la lutte contre les infections bactériennes.

Les héparanes sulfate (HS) sont des polysaccharides complexes présents en abondance à la surface des cellules et dans les matrices extracellulaires. Ces polysaccharides sont impliqués dans un très grand nombre de processus cellulaires, de par leur capacité à fixer et moduler l’activité d’un vaste répertoire de protéines. Les interactions HS/ligands impliquent des régions spécialisées (les domaines S) situées au sein de la chaine polysaccharidique, et caractérisées par leur séquence saccharidique et leur profil de sulfatation. L’expression de tels motifs est étroitement contrôlée lors de la biosynthèse des HS, mais également au niveau post-synthétique par l’action d’enzymes extracellulaires telles que les Sulfs. Les Sulfs constituent une famille de sulfatases récemment identifiée, qui ciblent spécifiquement les domaines S des HS et catalysent l’élimination sélective de groupements 6-O-sulfate impliqués dans la reconnaissance de nombreuses protéines. Bien que structuralement limitée, l’action de ces enzymes altère de manière radicale les capacités d’interaction et les propriétés biologiques des HS. De ce fait, Les Sulfs sont impliquées dans de nombreux processus physiopathologiques, tels que le développement embryonnaire, la régénération tissulaire ou le cancer. Deux isoformes de Sulfs ont été identifiées : Sulf-1 et Sulf-2. Ces enzymes présentent une organisation moléculaire commune et sont constituées de 2 domaines essentiels pour leur activité : un domaine catalytique (CAT-D) très conservé parmi les sulfatases et comprenant le site actif de l’enzyme et un domaine hydrophile et hyper-basique (Hyd-D), uniquement retrouvé chez les Sulfs et impliqué dans la reconnaissance des substrats de type HS. Cependant, malgré un intérêt croissant, les Sulfs demeurent encore très mal connues. Nos récents travaux sur ces enzymes ont permis la mise en évidence d’un mécanisme original d’action processive et de caractéristiques structurales remarquables. Sur la base de ces résultats, le projet SULF@AS propose une étude intégrée des 2 isoformes humaines HSulf-1 et HSulf-2, combinant des approches biochimiques et biophysiques en vue de déterminer leur structure et leurs modifications post-traductionnelles, des analyses fonctionnelles in vitro, in cellulo et in vivo afin de définir leurs spécificités de substrat et leurs rôles respectifs au cours de la progression tumorale, et le développement d’inhibiteurs spécifiques basés sur des mimétiques d’HS. Les résultats obtenus devraient fournir des informations précieuses sur cet important mécanisme de régulation de l’activité des HS. Par ailleurs, ils devraient établir les bases structurales pour le développement de nouvelles approches thérapeutiques ciblant les HSulfs.

L’hème, le cofacteur de l’hémoglobine, est une molécule essentielle mais toxique pour tous les organismes. Alors que de nombreux pathogènes à Gram positif sont confrontés à la toxicité de l’hème du sang lors du processus infectieux, ceux-ci répondent par l’expression d’un transporteur d’efflux de l’hème, HrtBA. Cette pompe membranaire leur permet de réguler l’accumulation d’hème intracellulaire et donc de limiter sa toxicité. L’expression de HrtBA est induite par l’hème exogène via l’activation d’un système à deux composants (TCS, two-component system) appelé HssRS (Heme sensing system). HssRS est constitué d’un senseur membranaire, HssS et d’un régulateur transcriptionnel de hrtBA, HssR. L’action conjuguée de ces deux protéines permet la détection de l’hème exogène et l’activation de la réponse transcriptionnelle qui aboutit à la biosynthèse de HrtBA. Des pathogènes à Gram positif qui ne peuvent expulser l’excès d’hème (DhrtBA) ont une virulence atténuée car leur capacité à s’adapter au stress hème dans l’environnement de leur hôte est limitée. L’hypothèse de travail du projet « HemeDetox » propose donc de considérer que l’inhibition du mécanisme de détection de l’hème par HssS permettrait de bloquer l’expression de HrtBA limitant ainsi la virulence de pathogènes cibles. Deux pathogènes à Gram positif majeurs, Staphylococcus aureus et Streptococcus agalactiae (aussi appelé GBS pour Group B Streptococcus) utilisent le transporteur d’efflux HrtBA pour assurer l’homéostasie de l’hème. L’expression de HrtBA est régulée par HssSSA chez S. aureus et HssSGBS chez GBS, les deux protéines partageant 30% d’identité. De manière surprenante, nos résultats expérimentaux établissent qu’au contraire de la plupart des senseurs de TCS qui détectent des changements dans l’environnement des bactéries, HssSSA et HssSGBS sont activés, non pas par l’hème extracellulaire mais par le pool d’hème internalisé. De plus, nos résultats in silico et expérimentaux suggèrent que HssSSA détecte l’hème intracytoplasmique tandis que HssSGBS serait sensible à l’hème accumulé dans la membrane. Dans ce contexte, le projet « HemeDetox » a deux objectifs : i) élucider les mécanismes de l’activation de HssS chez S. aureus et chez GBS ; ii) cribler une banque de molécules pour identifier des antagonistes de l’activation de HssS chez S. aureus. Pertinence scientifique et impact du projet « HemeDetox » :. Mécanisme- Les approches expérimentales envisagées permettront de révéler les mécanismes moléculaires qui permettent la détection (liaison directe ou indirecte à l’hème) et la transduction du signal hème par HssS. Concept- Les découvertes issues de ce projet permettront d’établir un nouveau paradigme original de l’adaptation bactérienne en démontrant que le transporteur d’efflux HrtBA, très conservé parmi les bactéries à Gram positif, est régulé par des mécanismes moléculaires distincts selon les pathogènes. Nos résultats pourraient donc ajouter un nouveau niveau de compléxicité des mécanismes adaptatifs des pathogènes. Application- En raison des problèmes de santé publique posés par S. aureus et la démonstration de l’importance de l’homéostasie de l’hème dans la virulence, une inhibition spécifique de la reconnaissance de l’hème par HssSSA pourrait constituer une stratégie antibiotique efficace. Nous proposons une approche originale de criblage haut-débit d’une banque de molécules inhibitrices ciblant spécifiquement la liaison de l’hème à HssSSA.

Les facteurs de remodelage de chromatine ATP-dépendants (les remodeleurs) sont mutés de façon récurrente dans les cancers humains. Nous avons récemment publié une étude à l’échelle du génome de la fonction des remodeleurs en cellules souches embryonnaires (ES) (De Dieuleveult et al., Nature 2016). Cette étude a révélé la liaison sélective des remodeleurs sur les éléments promoteur et enhancer des gènes. De manière inattendue, nous avons également détecté la liaison des remodeleurs sur les éléments CTCF. La protéine CTCF se lie à l’ADN et participe au partitionnement du génome en domaine de chromatine distincts. Cette organisation aurait pour but de réduire les possibilités de contact illégitimes entre les (onco)gènes et les enhancers non liés. En combinant les expertises des trois partenaires du projet, nous allons analyser la fonction des remodeleurs de chromatine au niveau des sites CTCF, et définir comment ils contribuent à l’organisation 3D du génome. Notre projet 3D-reMODEL comprend quatre objectifs pour étudier de manière systématique le lien fonctionnel entre les remodeleurs et le duo CTCF/Cohesin dans la structuration 3D du génome mammifère. Ce projet permettra aussi de définir comment la collaboration entre les remodeleurs et CTCF pourrait contribuer au phénotype cancéreux. 1. Nous définirons comment CTCF co-localise avec neuf remodeleurs différents, avec des spécificités d’orientation, aux niveau des sites CTCF marquant les limites de différents domaines 3D (TADs versus différentes catégories de sub-TADs) dans les cellules ES murines. 2. Nous étudierons grâce à une approche ChIP-seq comment les neuf remodeleurs régulent la liaison et la stabilisation de CTCF et du complexe Cohesin. Nous déterminerons également comment CTCF contribue au recrutement des remodeleurs sur le génome. 3. Nous proposons également de disséquer la nature des interactions entre CTCF et les remodeleurs sur le génome en testant les interactions directes entre ces facteurs. Nous caractériserons le réseau des interactions protéine-protéine du duo CTCF/Cohesin grâce à des approches de co-immunoprécipitation couplées à une analyse par spectrométrie de masse. 4. En utilisant une combinaison d’approches Hi-C et HiChIP, nous analyserons les conséquences de la perte de fonction de chacun des remodeleurs sur la formation des différents domaines 3D de chromatine. En particulier, nous évaluerons si la régulation par Brg1 de domaines 3D pourrait expliquer sa fonction de suppresseur de tumeur. Nous avons réalisé une série d’expériences préliminaires dans lesquelles nous avons cartographié par ChIP-seq le profil de liaison de CTCF sur le génome, dans des cellules ES normales ou déplétées en Brg1, Chd4 ou Ep400. Nous avons établi que la perte de fonction de chacun de ces trois remodeleurs altère subtilement, et avec un profil spécifique, la liaison de CTCF sur le génome. Ces données suggèrent que les remodeleurs présents au niveau des sites CTCF ont des fonctions régulatrices spécifiques dans la formation des domaines 3D de chromatine. Il est donc important de tester comment les autres remodeleurs régulent la liaison de CTCF, si CTCF lui-même est impliqué dans le recrutement des remodeleurs, et comment les changements de liaison de CTCF perturbent l’organisation 3D du génome des cellules ES.

La sénescence cellulaire participe au vieillissement des mammifères. Afin d’identifier des nouveaux régulateurs et biomarqueurs de la sénescence cellulaire, nous avons caractérisé la chromatine des fibroblastes humains sénescents avec une méthode de profilage des histones que nous avons développée (Contrepois et al., 2010, 2012). De façon remarquable, nous avons découvert une forte accumulation d’un nouveau variant d’histone, H2A.J (Uniprot Q9BTM1) dans la chromatine des fibroblastes humains en sénescence avec des dommages persistants à l’ADN. H2A.J se trouve à faible niveau dans des fibroblastes en prolifération ou en quiescence induite par une carence en sérum. Comme pour H2A.X, H2A.J est exprimé pendant tout le cycle cellulaire et contient un motif SQ phosphorylable dans sa séquence C-terminale. Ces deux caractéristiques distinguent H2A.J et H2A.X des histones H2A canoniques. Dans un article que nous venons de publier dans Nature Communications (Contrepois et al., 2017), nous avons démontré que la déplétion de H2A.J n’empêche pas l’entrée ou la maintenance de la sénescence induite par des dommages à l’ADN, mais cette dépletion inhibe fortement l’expression des gènes d’inflammation qui contribue au SASP (Senescence-Associated Secretory Phenotype). Hypothèses scientifiques : nous proposons que H2A.J pourrait représenter un nouveau biomarqueur de cellules sénescentes in vivo, et qu’il contribue à l’expression d’un phénotype d’inflammation chronique pendant le vieillissement. Cette inflammation chronique est impliquée dans le développement des maladies associées au vieillissement. Ojectifs : pour ce projet, nous voudrions répondre aux questions suivantes : 1) quel est le mécanisme par lequel H2A.J favorise l’expression des gènes d’inflammation en sénescence ? 2) Quels types cellulaires expriment H2A.J in vivo, et est-il un biomarqueur intéressant pour des cellules sénescentes in vivo ? 3) Y a-t-il des fonctions pour H2A.J qui sont indépendentes de la sénescence, notamment par rapport au système immunitaire ? 4) H2A.J favorise-t-il l’installation d’une inflammation chronique pendant le vieillissement ? Nous utiliserons notre souris H2A.J knock-out afin de répondre aux deux dernières questions.

La recombinaison homologue, qui joue un rôle crucial dans la stabilité des génomes, est le Dr Jekyll et Mr Hyde de la génétique. Du coté positif, les crossing-over générés par recombinaison homologue génèrent de nouvelles combinaisons alléliques et sont donc au cœur de l’hérédité et de l’évolution. En outre, les crossing-overs sont essentiels pour la ségrégation des chromosomes lors de la méiose. Des défauts de crossing-over sont associés à des aneuploïdies telles que la trisomie 21, ainsi qu’à des problèmes d’infertilité. Néanmoins, le nombre de crossing-over est bas chez la plupart des eucaryotes, suggérant qu’un niveau élevé de recombinaison est contre-sélectionné. Plus encore, alors que la recombinaison homologue est un mécanisme essentiel de réparation, une hyper-recombinaison dans les cellules somatiques peut mener à des pertes d’hétérozygotie et de gros réarrangements, qui sont centraux dans les mécanismes de carcinogénèses et sont aussi moteur dans certaines maladies neuro-dégénératives. La régulation de la recombinaison homologue est donc de première importance à la fois pour la diversité et pour l’intégrité des génomes Le projet FIRE s’appuie sur la découverte récente d’un nouveau complexe anti-crossover dans le laboratoire du coordinateur. Un crible génétique dédié, mené chez Arabidopsis, a permis d’identifier deux protéines largement conservées, FIDGETIN-LIKE1 (FIGL1, Girard et al 2015) et FIDGETIN-LIKE1-Interacting-Protein (FLIP, unpublished data). Ces deux protéines forment un complexe qui limite la recombinaison méiotique. De plus, FIGL1 et FLIP interagissent génétiquement et physiquement avec DMC1 et RAD51 qui s’associent avec l’extrémité de l’ADN cassé et catalysent l’étape centrale d’invasion d’une molécule d’ADN homologue intacte. FIGL1 a aussi été impliqué dans la recombinaison homologue dans les cellules humaines en culture. Le complexe FIGL1/FLIP représente donc potentiellement un nouveau régulateur direct de l’étape d’invasion de la recombinaison homologue, via la régulation des recombinases RAD51/DMC1. FIGL1 appartient à la famille de protéines des AAA-ATPases, qui régulent négativement leur cible en démantelant leur structure 3D, il est tentant de suggérer que le complexe FIGL1/FLIP régule négativement la recombinaison en réduisant directement l’activité de DMC1/RAD51. En s’appuyant sur ces résultats préliminaires robustes, le projet FIRE implique des équipes extrêmement complémentaires pour : 1) Etablir l’activité biochimique du complexe FIGL1/FLIP. Nous allons notamment explorer l’effet de FIGL1/FLIP sur la capacité de RAD51/DMC1 à former des filaments sur l’ADN et à catalyser l’échange de brins. 2) Explorer la fonction in vivo de FIGL1/FLIP à la fois chez les plantes et les mammifères. Nous allons ainsi tirer parti des avantages respectifs des deux modèles, et explorer la conservation évolutive de la fonction de FIGL1/FLIP. 3) Disséquer plus avant la régulation de l’étape d’invasion de la recombinaison par la caractérisation d’antagonistes de FIGL1/FLIP. Pour cela, nous avons mis au point un crible génétique, qui a déjà montré son efficacité en identifiant un premier antagoniste. Le Projet FIRE devrait apporter un nouvel éclairage sur la régulation de la recombinaison homologue et donc sur le contrôle de la stabilité et de la diversité des génomes. Les résultats de ce projet auront un écho auprès d’une large communauté scientifique. Ils pourront aussi ouvrir de nouvelles voies thérapeutiques pour les maladies génétiques résultant d’instabilité génétique.

L'objectif du projet NHEJLIG4 est d’apporter une meilleure compréhension du mécanisme de la voie NHEJ classique (c-NHEJ) en mettant l'accent sur les interactions dynamiques impliquant l'ADN Ligase 4 (LIG4). Dans les cellules de mammifères, la c-NHEJ est la voie prédominante pour la réparation des cassures double brin de d'ADN telles que celles induites lors de la recombinaison V(D)J durant la réponse immunitaire adaptative ou celles induites par divers clastogènes comme les rayonnements ionisants. Bien que la plupart des effecteurs de la machinerie de base de la c-NHEJ soient connus, leurs rôles spécifiques ainsi que la dynamique de leurs interactions restent encore mal compris. Afin de mieux comprendre la dynamique d’action de la machinerie de la c-NHEJ lors de ses interactions avec les cassures double brin de l'ADN, nous combinerons ici des approches biochimiques d’ensemble avec des approches de visualisation en molécules uniques, et des approches structurales. De plus, les transactions dépendantes de la LIG4 seront étudiées à l'intérieur des cellules. Les objectifs spécifiques seront de déterminer le mécanisme moléculaire par lequel la protéine XLF stimule le complexe LIG4/XRCC4 de manière dépendante de Ku. En outre, nous définirons la base moléculaire de la fonction structurelle et non catalytique du complexe LIG4/XRCC4. Les résultats issus de ce projet interdisciplinaire permettront d’obtenir une compréhension mécanistique détaillée de la fonction et de la régulation du complexe LIG4/XRCC4 qui permettra de mieux comprendre l’extraordinaire flexibilité et adaptabilité de la machinerie de la c-NHEJ lors de la réparation des cassures double brin de l’ADN.

L’homéostasie des protéines, essentielle pour la cellule, fait intervenir de nombreuses étapes de contrôle et régulations. Elle nécessite le maintien d’un pool de ribosomes actifs et également un contrôle qualité des ARN messagers et des peptides produits. Ces deux évènements sont liés aux dernières étapes de la traduction, terminaison et recyclage, qui consistent à relarguer le peptide naissant et à dissocier les deux sous-unités de manière à recycler les ribosomes. L’intégrité des messagers est contrôlée à cette étape de la traduction. Si le messager est «conforme», la terminaison va s’effectuer à l’aide des facteurs de terminaison eRF1 et eRF3 et du facteur de recyclage Rli1. Dans les cas de messagers défectueux, tels que des messagers sans stop (Non-Stop mRNA decay-NSD) ou qui, pour diverses raisons, vont ralentir ou bloquer le ribosome (No-Go mRNA decay-NGD), des paralogues d’eRF1 et eRF3, Dom34 et Hbs1, assistés de Rli1 vont intervenir pour dissocier et recycler les ribosomes bloqués. Il semblait donc difficilement imaginable de trouver des ribosomes dans les régions 3’ non-traduites (3’UTR). Cependant, il a récemment été montré que, lors d’un défaut de recyclage des ribosomes ceux-ci pouvaient se retrouver dans les 3’UTR. Ces résultats indique également que des ribosomes sont présents dans les 3’UTR dans un contexte sauvage. Il y a deux possibilités pour libérer ces ribosomes-3’UTR: i) soit ils ré-initient la traduction et dans ce cas, la traduction se terminera de manière classique avec l’intervention d’eRF1 et eRF3 ; ii) soit ces ribosomes seront dissociés par les facteurs Dom34/Hbs1 comme dans le cas de NSD/NGD. La découverte de ces ribosomes non-recyclée est très récente et ouvre un champ de recherche très prometteur. Le but de ce projet est de caractériser la nature des ribosomes présents dans les 3’UTR et de comprendre pourquoi certains vont ré-initier la traduction et d’autres pas. La première partie de ce projet va consister à identifier les facteurs intervenant dans ce processus. Ceci va être réalisé par des cribles génétiques (avec des gènes rapporteurs adaptés, des cribles de surexpression, de léthalité synthétiques et double-hybride). Ensuite, ces facteurs seront utilisés pour réaliser des purifications par affinité afin d'identifier leurs partenaires. Nous avons déjà identifié deux facteurs jouant un role dans cette voie. L’un d’eux, une RNA hélicase de fonction inconnue, que nous avons appelé Tac4 (Translation Associated Component 4) est associé aux polysomes et présent dans les 3’UTR. Ces résultats préliminaires montrent la faisabilité du projet. Des résultats suggèrent que des motifs ARN dans les 3’UTR pourraient avoir un rôle dans la dissociation et le sauvetage des ribosomes. Nous projetons d'identifier les éléments agissant en «cis» responsables de ce phénomène. Leur caractérisation sera réalisée par la combinaison d’expériences utilisant des rapporteurs adéquates et une analyse bioinformatique à partir des séquences/structures sélectionnées. Par ailleurs, des approches génomiques vont être effectuées. Le CRAC (dérivée de la méthode de CLIP-seq) ou des expériences de RIP-seq nous renseigneront sur les cibles spécifiques de ces complexes ou facteurs. Enfin, le ribosome profiling nous donnera une image de l’état traductionnel des ribosomes associés à ces facteurs particuliers. Bien que ce projet soit un projet de recherche fondamental, nos résultats devraient aussi avoir un impact sur la compréhension des ribosomopathies. En effet, l’accumulation des ribosomes en 3’UTR va perturber l'homéostasie du ribosome et entrainer ce que l'on appelle des ribosomopathies. Ces maladies, cliniquement distinctes, sont toutes liées à un défaut dans l'homéostasie du ribosome. Certaines entrainent une réduction du nombre de globules rouges, alors que d'autres entrainent des défaut du squelette et des retards de croissance.

La maladie de Huntington (MH) est une maladie neurodégénérative progressive, caractérisée par des troubles cognitifs et moteurs provenant de la dégénérescence préférentielle des neurones du striatum. Elle est causée par une expansion de trinucléotides CAG dans le gène Huntingtine (HTT). Les symptômes se mettent en place lors d’un longue période de dysfonctionnement neuronal, précèdant la neurodégénérescence. Cette période, que récapitulent les modèles murins Huntington, représente une fenêtre intéressante d’un point de vue thérapeutique. A ce stade, des altérations transcriptionnelles précises apparaissent dans le striatum, notamment une baisse de l’expression de marqueurs de l’identité striatale. Nos données récentes suggèrent que des mécanismes épigénétiques sont à l’origine des ces dérégulations transcriptionnelles. Elles résulteraient d’une réduction de l’activité des super-enhancers, causée par une diminution sélective de l’acétylation de H3K27 et de la transcription associée à ces enhancers (eRNAs). A partir d’un modèle murin de la maladie, nous avons pour objectif d’étudier ce mécanisme, de déterminer son rôle dans la pathogénèse et d’identifier des voies d’un intérêt thérapeutique. Nos résultats suggèrent que deux mécanismes non-exclusifs pourraient être à l’origine de l’altération des super-enhancers striataux dans la MH : un défaut d’activité de l’histone acetyltransférase CBP et un défaut d’activité du facteur de transcription SRF. Les voies CBP et SRF seront modulées chez le modèle souris Huntington R6/1, à l’aide d’approches pharmacologique et basée sur l’utilisation de vecteurs viraux. Les effets induits par la manipulation des voies CBP et SRF sur l’épigenome et le transcripitome striatal des souris R6/1 seront ensuite déterminés par des analyses RNAseq et ChIPseq (Tâche1). Les enhancers régulent l’expression de leurs gènes cibles grâce aux boucles que forme la chromatine et qui favorisent les interactions enhancers/promoteurs. Afin de préciser la relation entre l’altération des super-enhancers et la baisse d’expression de leurs gènes cibles dans le striatum Huntington, nous déterminerons, si l’interaction promoter/super-enhancer est perturbée dans le striatum des souris R6/1 en utilisant la méthode du 4Cseq (Tâche2). Nous faisons l’hypothèse que l’altération de l’activité des super-enhancers striataux, en conduisant à une diminution de l’expression de gènes essentiels à la fonction striatale, joue un rôle clé dans la pathogénèse Huntington. Aussi, une stratégie thérapeutique visant à globalement augmenter l’expression des gènes sous le contrôle des super-enhancers permettrait de contrer le processus pathogénique. Cette hypothèse sera testée en évaluant les conséquences fonctionnelles issues de la manipulation des voies CBP et SRF. Des analyses électrophysiologiques, d’imagerie du cerveau et comportementales seront effectuées à cette fin. Une alternative à cette approche est de considérer que peu de gènes régulés par un super-enhancer ont un effet majeur sur la pathogénèse Huntington, et qu’il peut être suffisant d’augmenter leur expression pour observer un bénéfice substantiel. Dans ce contexte, les gènes qui régulent la structure de la chromatine sont particulièrement intéressants. Nous avons récemment identifié un tel gène, Dclk3. Nous modulerons son expression dans le striatum de souris R6/1 et contrôles et déterminerons son rôle dans la maladie en combinant analyses moléculaires, fonctionnelles et comportementales (Tâche3). EpiHD, en réunissant des approches de pointe, complémentaires et hautement résolutives, devrait conduire à des avancées majeures dans le domaine de la maladie de Huntington et de la discipline émergente que constitue la neuroépigénétique. La validation de cibles nouvelles (CBP, SRF, DCLK3) jouera un rôle de pionnier en matière de recherche de thérapies épigénétiques pour la maladie de Huntington et d’autres maladies neurodégénératives.

Les modifications post-traductionnelles des protéines contribuent de façon majeure à la diversité du protéome. Bien que plusieurs chaines latérales des acides aminés soient modifiées, la lysine est la cible la plus fréquente et elle est sujette à une grande variété de modifications. La méthylation des lysines est étroitement régulée chez l’homme avec plus de 50 enzymes qui contrôlent son transfert et le degré de méthylation (mono, di ou tri –méthylation). Son rôle dans la régulation de la structure de la chromatine a été largement étudié et les liens entre les différents sites de méthylation et l’état transcriptionnel de la chromatine sont bien décrits. En revanche, nos connaissances sur la méthylation de protéines autres que les histones sont encore très limitées. La plupart des enzymes catalysant cette modification appartiennent à la famille des protéines contenant un domaine SET. Ce domaine de près de 130 acides aminés est responsable du transfert du groupe méthyle du cofacteur SAM (S-adenosyl-L-methionine) au groupe ?-amino du résidu lysine. Le « polycomb repressive complex 2 », PRC2, est composé de quatre protéines. EZH2, sa sous-unité enzymatique, est responsable du transfert de méthyle (di et tri –méthylation) sur la lysine 27 de l’histone H3. Son activité est nécessaire pour la maintenance de la répression transcriptionnelle. En conséquence, modifier son activité interfère avec de nombreux processus biologiques tels que la différentiation, la prolifération cellulaire ou la maintenance de l’identité cellulaire. Des mutations altérant son activité ont été trouvées dans diverses pathologies comme le syndrome de Weaver ou certains cancers. Alors que les histones ont longtemps été considérées comme le principal substrat de PRC2, plusieurs études ont maintenant montré que PRC2 peut également méthyler des protéines non-histones. La contribution de ces autres substrats potentiels à la fonction de PRC2 reste énigmatique et une analyse complète du méthylome de PRC2 est manquante. Nous proposons de combler ce manque en utilisant des approches innovatrices à l’interface entre la chimie et la biologie pour dresser une liste exhaustive des substrats du complexe PRC2. En pratique, les substrats seront marqués grâce à l’utilisation d’analogues du donneur de méthyle (SAM) pris en charge par une enzyme modifiée. Le groupement ainsi déposé à la place du méthyle pourra ensuite être couplé à d’autres composés chimiques permettant soit la purification par affinité soit la détection par fluorescence de ces modifications. Cette approche nous permettra de détecter spécifiquement les substrats de PRC2, même si une autre enzyme régule également cette modification et même si cette modification est dynamique. Une fois identifiée, nous étudierons le rôle biologique de ces nouvelles modifications.

La façon dont les cellules déchiffrent l'information de leur environnement, traitent cette information par le biais de leur réseau moléculaire interne et prennent une décision est l'une des grandes questions de la biologie moderne. Les explications classiques des mécanismes moléculaires contrôlant ces processus de prise de décision cellulaire sont généralement basées sur des mesures de populations de cellules en supposant que la réponse de la population moyenne est typique de la plupart, sinon de la totalité, des cellules de la population. Au cours de ces dernières années, il est devenu évident que la variabilité de l'expression des gènes ne pouvait et ne devait pas être ignorée puisque cette variabilité reflète les processus moléculaires stochastiques intrinsèques et fournit des informations sur le réseau moléculaire sous-jacent. La variabilité entre les cellules a même été démontré jouer un rôle fonctionnel important dans le processus de prise de décision cellulaire. L'objectif principal de ce projet est de répondre à la question suivante: comment l'héritabilité, la stochasticité et les réseaux de régulation contribuent-ils à la prise de décision dans des cellules métazoaires au cours d'un processus de différenciation? A cet effet, nous couplerons l'interrogation phénotypique et moléculaire de cellules uniques subissant un processus de différenciation physiologique dans deux systèmes cellulaires complémentaires dérivés de cellules non génétiquement modifiées, à savoir les cellules progénitrices érythrocytaires aviaires et les cellules CD34 + humaines. En utilisant deux systèmes de différenciation distincts, nous serons en mesure de distinguer entre des résultats généralisables et des résultats spécifiques au système étudié. L'objectif le plus ambitieux du projet est de pouvoir déconvoluer, à la fin du projet, le processus décisionnel en contributions spécifiques provenant de fluctuations stochastiques de diverses sources (répartition inégale à la division, régime de bursting), des changements coordonnés y compris ceux résultant des interactions au sein du réseau moléculaire) et la mémoire épigénétique. Ce projet réunira un consortium interdisciplinaire avec les objectifs suivants: 1. Créer un nouveau dispositif microfluidique qui permette de suivre les lignées cellulaires au niveau de la cellule unique et de coupler ce dispositif avec une évaluation transcriptomique à l’échelle de la cellule unique; 2. Évaluer et établir le rôle de l'héritabilité dans les processus de prise de décision cellulaire pendant la différenciation cellulaire; 3. Établir une méthode de pointe pour l'inférence dynamique d’un réseau de régulation génique à partir de données de transcriptomique en cellule unique, incorporant le rôle fonctionnel du bruit; 4. Effectuer des expériences de validation pour les prédictions les plus pertinentes de notre modèle. Le projet créera un cadre holistique pour intégrer des expériences et des observations à l’échelle de la cellule unique (transcriptomique/épigénomique de cellules uniques lors d'un processus de différenciation couplé à des observations en temps réel utilisant des dispositifs microfluidiques dédiés) avec une analyse de données avancée comprenant la création de modèles dynamiques de processus moléculaires contrôlant la différenciation.

La recombinaison méiotique est un élément déterminant de la reproduction sexuée : elle est indispensable non seulement à la stabilité des espèces (production de gamètes haploïdes à partir de cellules diploïdes) mais aussi à leur variabilité (réassortiment du matériel génétique d’une génération à l’autre). La recombinaison méiotique est initiée par la formation de très nombreuses cassures double brin (CDB) de l’ADN générées par la protéine SPO11. Depuis sa découverte, il y a plus de 20 ans, peu de progrès ont été faits quant à la compréhension du mode d’action de SPO11, et ce notamment car sa purification a, jusqu’à maintenant, été infructueuse. Ce projet s’appuie sur le fait que nous avons récemment démontré que SPO11 était membre d’un complexe protéique apparenté aux topoisomérases VI des Archées, enzymes responsables de changements topologiques de l’ADN (Vrielynck et al. Science 2016). Ce résultat a considérablement modifié l’idée que nous nous faisions de la nature et de la structure du complexe catalytique de formation des CDB méiotiques (Bouuaert and Keeney, Science 2016). Il permet de ré-envisager, pour la première fois depuis longtemps, la caractérisation biochimique de la réaction enzymatique à l’origine de la recombinaison méiotique. Pour relever ce défi nous avons réuni dans ce projet collaboratif international Franco-Taiwanais quatre groupes spécialistes dans l’étude biochimique des topoisomérases. Notre consortium est complété par deux groupes spécialistes de l’étude de la méiose dans deux espèces végétales très complémentaires : Arabidopsis thaliana et le maïs, Zea mays. Ceci nous permet de proposer une approche multi-échelle et multidisciplinaire, combinant la génétique moléculaire, la cytologie, la biochimie et la biologie structurale de façon à comprendre les mécanismes contrôlant l’initiation de la recombinaison méiotique. De plus, les plantes sont parmi les rares organismes eucaryotes à coder pour un « vrai » complexe topoisomérase VI (non méiotique). Ceci nous offre l’opportunité de comparer, au sein d’un même organisme, le complexe de formation des CDB méiotiques avec un complexe topoisomérase «classique », offrant ainsi la possibilité d’étudier le mécanisme d’initiation de la recombinaison méiotique d’un point de vue mécanistique et évolutif.

La Sonocytology et une discipline émergente de la biophysique qui étudie les mouvements nanométriques d’origine métabolique de la surface des cellules. Malgré leur observation dans de nombreux organismes, l’origine de ces mouvements et leur fonction biologique reste inconnue. Goodvibrations a été développé à partir de faisceaux de données préliminaires qui montre que les plantes produisent des oscillations associées à la croissance à 1.5KHz et regroupe des spécialistes de la paroi cellulaire, du développement des plantes, de l’acoustofluidic et de la matière molle. Le projet est de développer les outils pour mesurer à la fois les oscillations à la surface des cellules, la rhéologie de la paroi, la pression de turgescence et la l’exocytose des composés le la paroi afin d’étudier le couplage antre la synthèse pariétale et la rhéologie de la paroi mais surtout étudier si les oscillations de surface sont générées ou associées a ce couplage. Grace à ce travail nous espérons éclairer d’un nouveaux jour les caractéristiques remarquables de la paroi cellulaire ouvrant une nouvelle vois de modélisation de la croissance des plants mais aussi au développement de nouveaux matériaux intelligents.

La division cellulaire (mitose) est un processus fondamental nécessaire à la génération d'organismes multicellulaires, au renouvellement des tissus et à la reproduction asexuée. La mitose permet la distribution égale du matériel génétique entre les deux cellules filles. L’entrée en mitose doit être coordonnée avec la réplication de l’ADN afin d’assurer la stabilité du génome. En effet, une entrée prématurée en mitose peut contribuer à l'instabilité génétique, qui est à l’origine de nombreuses pathologies et notamment des cancers. L'entrée en mitose est contrôlée par des protéines kinases ainsi que des phosphatases conservées au cours de l’évolution. Cependant, comment ces activités kinases sont régulées et coordonnées dans l'espace et dans le temps pour déclencher l’entrée en mitose au bon moment reste mal compris. La kinase Plk1 est essentielle pour la ségrégation des chromosomes en mitose. Plk1 contrôle la maturation des centrosomes, la condensation des chromosomes, l’assemblage du fuseau mitotique, la séparation des chromatides soeurs et la cytokinèse. Nous avons récemment montré que Plk1 est activée de manière soudaine juste avant la mitose, et qu’elle est essentielle pour l’entrée en mitose (Gheghiani et al. Cell Reports, en révision). Nous avons montré qu’un complexe Cyclin A2-Cdk, qui coordonne la phase S et la mitose, est requis pour activer Plk1. Nous avons également découvert que Plk1 est activement recrutée à l'enveloppe nucléaire et contribue à sa rupture en prophase (Martino et al. Developmental Cell, en révision). Cependant, les mécanismes et les voies qui activent Plk1 dans l'espace et le temps pour déclencher une entrée irréversible en mitose ne sont pas connus. De même, le mécanisme de recrutement de Plk1 à l’enveloppe nucléaire et son rôle dans la rupture de l’enveloppe restent à déterminer. L'activation de Plk1 dépend de sa phosphorylation sur un résidu conservé (Thr210) situé dans sa boucle d'activation par la kinase Aurora A (AurkA). Ce processus nécessite la protéine Bora, qui stimule la phosphorylation de Plk1 par AurkA. La phosphorylation de Bora par Cdk1/2 est critique pour l'activation de Plk1. L'identité du complexe Cyclin-Cdk impliqué, la régulation spatio-temporelle de la phosphorylation de Bora et le mécanisme par lequel Bora phosphorylée déclenche l'activation de Plk1 et l'entrée en mitose restent méconnus. Nous utiliserons une approche multidisciplinaire (biologie cellulaire, génétique, biochimie et biologie structurale) dans trois organismes modèles (Xénope, cellules humaines, C. elegans) afin d’identifier le mécanisme précis d’activation, ainsi que les fonctions de Plk1 lors de l'entrée mitose. Nous disposons de l'expertise complémentaire nécessaire en biochimie, en biologie structurale et en biologie cellulaire, ainsi que les outils et les méthodologies pour atteindre nos objectifs. • Nous identifierons le mécanisme d'activation Plk1 par Bora et AurA. Plk1 est une kinase centrale du cycle cellulaire, qui est dérégulée dans de nombreux cancers. Comprendre son mécanisme d'activation revêt d'une importance fondamentale pour le développement de stratégies à visées thérapeutiques. À cet égard, cette partie du projet aura des implications sociétales et économiques importantes. Le développement d'inhibiteurs de Bora et leur utilisation en association avec des inhibiteurs de Plkl déjà disponibles représente une stratégie attrayante pour inhiber Plk1 de façon robuste. • Nous déterminerons comment la kinase CyclinA-Cdk1/2 déclenche l’entrée en mitose. CyclinA s’associe à Cdk2 puis à Cdk1 pour coordonner la réplication de l'ADN et la mitose. Comprendre le rôle de la CyclinA est critique pour déterminer comment la réplication et la mitose sont coordonnées au cours du cycle cellulaire. • Nous déterminerons le rôle de Plk1 dans la rupture de l'enveloppe nucléaire, qui est une étape essentielle permettant la libération des chromosomes et leur ségrégation entre les cellules filles.

La morphogenèse et la motilité cellulaire sont des processus cruciaux à toutes les étapes de la vie, depuis le développement jusqu’à l’homéostasie des tissus, et sont associées des états pathologiques tels que les cancers. Les cellules migrantes doivent rapidement adapter leur programme morphogénétique aux conditions continuellement changeantes de l’environnement, ce qui implique une intégration spatiotemporelle finement régulée d’une variété de signaux biochimiques et physiques. Comprendre comment les cellules en migration lisent et interprètent ces stimuli mécano-chimiques est un des grands challenges de la biologie cellulaire moderne. La machinerie d’acto-myosine est le moteur principal de la locomotion qui en poussant et/ou en tirant sur la membrane plasmique contrôle l’extension de protrusions, la formation de nouvelles adhérences à l’avant des cellules, et leur détachement à l’arrière. Ces processus dépendent et influencent la tension de la membrane cellulaire. De plus, les obstacles rencontrés sur le chemin des cellules en migration ainsi que la géométrie de l’environnement traversé peuvent également perturber localement la tension membranaire. Ainsi, la tension membranaire est un intégrateur clé des signaux mécaniques et a été impliquée dans la migration cellulaire. Les partenaires P1 &P3 ont récemment démontré que les cavéoles, ces petites invaginations de la membrane plasmique, tamponnent la tension de membrane en s’aplatissant dans celle-ci lorsqu’elle se tend suite à un stress mécanique. Les données préliminaires de P1 suggèrent de plus que l’aplatissement des cavéoles est également associé à la régulation sélective de cascades de signalisation et au contrôle de la transcription de certains gènes. Les résultats préliminaires de P2 suggèrent par ailleurs que les cavéoles peuvent directement détecter les modulations de tension de membrane au travers un réseau 3D organisé de fibres de collagène. Alors que la tension de membrane et les cavéoles ont toutes deux été impliquées dans certains aspects de la migration cellulaire, on ne sait pas si la modulation de la tension de membrane par les cavéoles joue un rôle dans la motilité cellulaire. Dans ce projet, nous souhaitons explorer le rôle des cavéoles et de la tension de membrane au cours de la migration. Nous déterminerons comment, en impactant la tension de membrane, les cavéoles régulent la migration. Nous étudierons comment les cavéoles, en contrôlant des voies de signalisation sélectives et la mécanotransduction, peuvent avoir un impact sur la motilité cellulaire. Enfin, nous déterminerons comment les signaux chimiques et mécaniques ressentis par les cavéoles sont intégrés avec l’organisation et la dynamique du cytosquelette d’actine pour orienter la migration cellulaire.

Les programmes visant à éradiquer le paludisme sont confrontés à la persistance de Plasmodium vivax, une espèce de parasite à prévalence globalement, dans les régions où P. falciparum a presque disparu. La résilience de P. vivax est principalement due à sa capacité de former des formes hépatiques dormantes (hypnozoïtes), dont certaines sont activées au cours des mois après la piqûre infectante pour causer des relapses, maintenant ainsi la transmission. L’unique drogue (primaquine) disponible pour éliminer les hypnozoïtes a des effets secondaires potentiellement dangereux, entravant ainsi son utilisation à grande échelle. Il est devenu prioritaire de trouver une alternative sûre ou un vaccin. Pour ce, le criblage à haut débit est impossible car il nécessite des primates non humains (NHP) infectés par P. cynomolgi, un parasite de macaque similaire en tous respects à P. vivax. De plus le manque de connaissances sur la biologie et la biochimie de l’hypnozoïte ne permet pas de guider cette recherche. Ce projet vise à rassembler un consortium combinant des expertises distinctes et complémentaires pour mener les premières observations biologiques sur l’hypnozoïte. Les recherches proposées se focaliseront sur le modèle P. cynomolgi/Macaca fascicularis, et exploiteront des avancées récentes en culture in vitro des formes parasitaires sanguines et hépatiques, manipulations génétiques des parasites, analyses génétiques de cellules individuelles, ainsi qu’en découvertes de nouvelles cibles vaccinales. Il est proposé d’établir ce modèle au IDMIT (CEA, Fontenay-aux-Roses), où l’animalerie et les plateformes techniques de pointes sont un environnement idéal pour des investigations sur des NHP, en collaboration avec les membres du CEA/IMVA experts en recherches fondamentale et précliniques sur des pathogènes viraux et bactériens de M. fascicularis. Trois objectifs principaux sont proposés. Primo, établir les techniques requises pour un accès aux divers stades du parasite, et établir des protocoles d’infection standard nécessaires pour toutes recherches futures. Nous bénéficierons exclusivement d’une souche de P. cynomolgi qui peut être maintenue in vitro pour développer des outils pour générer les parasites génétiquement modifiés pour des études fonctionnelles futures. Secundo, mener des investigations sur la nature fondamentale de la biogenèse de l’hypnozoïte pour établir si les sporozoïtes sont programmés pour former un hypnozoïte ou se développer immédiatement dans l’hépatocyte. Ceci se fera par des analyses transcriptomiques et protéomiques de différents types de sporozoïtes purifiés en populations ou individuellement à partir d’espèces qui forment ou non d’hypnozoïtes. Tertio, évaluer l’efficacité protectrice d’un ensemble d’antigènes, identifiés comme candidats vaccins potentiels chez un modèle rongeur, et pour la première fois l’effet d’une immunisation sur les relapses. Nous sommes conscients de la nature ambitieuse des investigations, et des risques inhérents à l’utilisation de nouvelles technologies pour étudier l’hypnozoïte. Nous sommes confiants de pourvoir amener de nouvelles connaissances suffisantes pour susciter et soutenir de futurs projets qui élargiraient notre compréhension du contrôle de la dormance des hypnozoites. Ces avancées devraient non seulement accélérer la recherche de nouvelles approches contre P. vivax et P. ovale (le deuxième parasite de l’homme prévalent en Afrique capable de former des hypnozoïtes), mais aussi fournir des données fondamentales sur la quiescence cellulaire, un phénomène impliqué dans divers processus biologiques et pathologiques. En définitive, ce projet servira comme une première étape pour établir un centre d’excellence pour la recherche sur les hypnozoïte, et s’adressera éventuellement à d’autres aspects fondamentaux, cliniques et immunologiques de l’infection qui seraient le mieux étudiés chez les primates non humains.

La compétence est un programme génétique de différenciation central et propre au monde bactérien. Elle confère aux cellules la capacité à modifier leur génome via la capture et l’internalisation d’ADN exogène, suivi de son intégration dans leur(s) chromosome(s). Ceci leur permet d’acquérir de nouvelles propriétés et, ainsi, de diriger leur propre évolution. Le mécanisme qui sous-tend ce transfert horizontal d’ADN, communément appelé la transformation génétique naturelle, est très conservé. En revanche, le mode de développement de la compétence et son schéma de régulation varient considérablement entre les espèces bactériennes, reflétant une adaptation particulière de ce programme génétique à leurs physiologies et à leurs styles de vie particuliers. Comment le développement de la compétence pour la transformation génétique se coordonne avec les autres processus du cycle cellulaire est incompris. Ici, nous adresserons cette question via l’analyse du pathogène humain majeur Streptococcus pneumoniae (le pneumocoque), l’un des modèles bactériens le mieux compris et le plus flexible pour l’étude de la transformation génétique. L’induction de la compétence du pneumocoque (le X-State) est abrupte et simultanée dans toutes les cellules d’une culture en phase de croissance exponentielle, dure environ 20 minutes puis se ferme presque aussi abruptement. Pendant cette courte période, une machinerie multiprotéique dédiée à la fixation, l’internalisation et l’intégration d’ADN exogène dans le génome de la bactérie réceptrice (le transformasome) est assemblée dans la membrane cytoplasmique et au travers de la paroi au centre de la cellule, le site de division. De façon remarquable, la croissance de la culture cellulaire est retardée de façon transitoire lors de la compétence du pneumocoque. Notre analyse par microscopie de cellules isolées, montre que le processus de constriction des cellules est aussi retardé dans les cellules compétentes. Cet arrêt peut indiquer l’établissement d’un point de contrôle couplant le processus de transformation avec le cycle cellulaire, et/ou le résultat de la mise en place du transformasome au septum qui pourrait ainsi interférer avec la machinerie de la division cellulaire (le divisome) et/ou en profiter pour son propre assemblage Les objectifs principaux du projet EXStasis sont de comprendre (1) comment la compétence pour la transformation génétique provoque un arrêt de croissance chez le pneumocoque et (2) comment le transformasome est assemblé au niveau du site de division dans des cellules en croissance. Pour cela nous mènerons une approche multidisciplinaire combinant la génétique moléculaire, la protéomique et des techniques de microscopie à fluorescence à très haute résolution. A terme, ce programme qui vise à mieux comprendre le rôle de la compétence et de la transformation dans le cycle de vie d’un pathogène humain majeur, aura aussi un impact scientifique fondamental dans l’avancée des connaissances de deux évènements clés du cycle cellulaire de la bactérie S. pneumoniae, i.e. la division et la synthèse du peptidoglycane. Au-delà de ces aspects fondamentaux, le projet EXStasis pourrait permettre d’identifier de nouvelles stratégies pour bloquer la croissance ou la compétence pour la transformation génétique du pneumocoque, et aboutir à la mise en place de nouveaux programmes de lutte contre ce pathogène.

Les maladies cardiovasculaires représentent un fardeau économique majeur pour les systèmes de soins de santé et l'une des principales causes de mortalité et de morbidité dans le monde. Ces dernières années ont montré que les BMP (Bone morphogenetic proteins) sont une famille de facteurs de croissance qui joue un rôle clé dans le développement vasculaire, et que des défauts de la voie de signalisation des BMP sont impliqués dans plusieurs maladies cardiovasculaires. Bien que de nouvelles thérapies biomédicales ciblant les BMP soient prometteuses, notre compréhension actuelle des voies de signalisation activées par les BMP et leurs rôles pathogènes reste très limitée. Parmi les différentes BMP (plus de 30), il est maintenant bien établi que BMP9 et BMP10 jouent un rôle crucial dans ces pathologies. En 2007, notre équipe a été la première à identifier BMP9 et BMP10 comme ligands de haute affinité pour le récepteur de type 1 ALK1 (activin receptor-like kinase 1) et le récepteur de type 2 BMPR2, deux récepteurs principalement exprimés sur les cellules endothéliales (CE). En accord avec ces données, des mutations dans les gènes codant pour ces deux récepteurs et plus récemment dans le gène codant pour BMP9 sont impliquées dans deux maladies rares : La maladie de Rendu-Osler (HHT, télangiectasies hémorragiques héréditaires) et l'hypertension artérielle pulmonaire (HTAP). Les objectifs de ce projet sont de déterminer le rôle de BMP9 dans les pathologies cardiovasculaires. Notre hypothèse est que BMP9 aurait une action vasoconstrictrice pulmonaire qui contribuerait au développement et à la progression du remodelage vasculaire pulmonaire associée à l'HTAP et que donc BMP9 pourrait être une cible thérapeutique intéressante. Cette hypothèse est basée sur des données de la littérature et de solides données de nos deux groupes non publiées qui montrent que des souris invalidées pour Bmp9 (Bmp9-KO) sont moins susceptibles de développer une hypertension pulmonaire (PH) induite par hypoxie chronique ou injection de monocrotaline (MCT)-pyrrole. Pour déchiffrer les mécanismes moléculaires par lesquels BMP9 exercerait son action vasoconstrictrice pulmonaire, nous avons choisi de nous focaliser sur l'HTAP. En effet, des modèles expérimentaux de souris et de rats sont disponibles pour cette pathologie et nous avons développé un répertoire d'outils uniques comprenant des rats Bmp9-KO (générés par la technologie CRISPR-Cas9) et des cultures primaires de CE pulmonaires humaines portant des mutations de BMPR2 ou d’ALK1 provenant de poumons explantés de patients HTAP bien caractérisées. Ces outils originaux nous permettront de mieux comprendre la signalisation par laquelle BMP9 exerce son action vasoconstrictrice pulmonaire (nous avons déjà identifié deux facteurs régulés par BMP9 susceptibles de jouer un rôle dans la vasoconstriction, l’endotheline-1 et l’apeline). Depuis le dépôt de notre lettre d’intention, nous avons obtenu des résultats très intéressants qui supportent notre hypothèse de BMP9 comme régulateur clé de la vasoconstriction pulmonaire : nous montrons qu’un traitement curatif à l’aide d’injection de la forme extracellulaire du récepteur ALK1, qui bloque ses ligands circulants donc BMP9, protège significativement les rats contre le développement d’HTAP expérimentale. Un des objectifs du projet est de confirmer ce résultat dans des modèles bien reconnus d’HTAP chez le rat en utilisant plusieurs approches visant à bloquer BMP9. Le blocage de la voie du BMP9 est une approche thérapeutique contre-intuitive car elle va à l'encontre de l'hypothèse la plus simple qui serait de traiter cette maladie en donnant en excès du ligand de cette voie défectueuse comme précédemment décrit. Au total, ce projet apportera une meilleure compréhension de la voie de signalisation des BMP et une approche thérapeutique innovante non seulement dans l'HTAP, mais aussi dans HHT et toute autre maladie cardiovasculaire impliquant la voie de signalisation des BMP.

Malgré d’importantes avancées thérapeutiques, l’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) reste malheureusement une maladie à issue fatale sans traitement curatif. Les coûts liés aux traitements actuels représentent une préoccupation majeure de santé publique. Les thérapies palliatives actuelles ne ciblent pas l’accumulation des cellules musculaires lisses d’artères pulmonaires (CML-AP) et des cellules inflammatoires à l’origine du remodelage vasculaire pulmonaire, qui conduit progressivement à l’insuffisance cardiaque et au décès. Il est donc urgent de développer des stratégies thérapeutiques qui ciblent spécifiquement le remodelage vasculaire pulmonaire et ses mécanismes sous-jacents, comme l’accumulation de CML-AP et l’inflammation accrue. Les récepteurs cytokiniques de Type I (TypeIR) sont des récepteurs transmembranaires qui possèdent un motif d’acides aminés commun (WSXWS) dans leur portion extracellulaire qui reconnait et répond aux cytokines de Type I. De façon intéressante, plusieurs TypeIR sont surexprimés à la surface des CML-AP chez les patients atteints d’HTAP ou dans les modèles expérimentaux, comme les récepteurs pour l’interleukine (IL)-6, la leptine (Ob), et pour le granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF). Même si les mécanismes qui controllent l’expression basale des TypeIR, et donc l’ampleur des réponses cytokiniques, sont peu connus, les protéines ring finger protein 41 (RNF41) et ubiquitin-specific protease 8 (USP8) apparaissent clairement comme des acteurs clefs de l’adressage/recyclage des TypeIR. De manière intéressante, mes données préliminaires montrent que les niveaux d’expression élevés de TypeIR peuvent être diminués en modulant RNF41 dans des CML-AP isolées à partir de tissus pulmonaires de patients HTAP. L’objectif de ce projet translationnel est de comprendre si la modulation des protéines régulatrices des TypeIR pourrait représenter une cible thérapeutique innovante dans l’HTAP. Le projet CoVeR présente deux tâches principales qui soulèvent des questions clefs de la physiopathologie de l’HTAP Tâche 1 : Est-ce que la perte du contrôle de l’expression des TypeIR dans les CML-AP et les péricytes contribuent au remodelage vasculaire pulmonaire de l’HTAP ? Tâche 2 : Peut-on moduler l’expression des TypeIR pour stopper/réverser la maladie ? Ce projet fait appel à des stratégies expérimentales originales alliant à la fois des études sur échantillons humains (in situ et in vitro à travers l’utilisation de cultures primaires de CML-AP et de péricytes) et in vivo, en alliant les 3 modèles d’HTAP expérimentale, ainsi que l’utilisation de souris ou rats génétiquement modifiés pour les TypeIR. Ce projet translationnel s’intègre dans les thématiques de notre unité Inserm UMR_S 999, dirigée par le Pr Humbert, comprend les cliniciens de Centre de Référence de l’HTAP (Pr. Humbert), des chirurgiens de l’hôpital Marie Lannelongue (Pr E. Fadel) et des experts en anatomie pathologique (Pr Dorfmüller et Dr Ghigna). L’UMR_S 999 dispose d’un registre de patients (= 1500 patients), d’une biobanque (ADN et serum/plasma de 400 patients), d’une banque de tissus frais explantés (200 échantilons), issus des patients HTAP transplantés à l’Hôpital Marie Lannelongue, ainsi que de patients considérés comme contrôles (soumis à pneumectomie pour tumeurs pulmonaires localisées). A partir de ces échantillons, une banque de cellules isolées de tissus humains (CML-AP et péricytes pulmonaires) en culture primaire a été développée. La restauration des niveaux d’expression des TypeIR, via la modulation des protéines RNF41/USP8, pourrait représenter une stratégie thérapeutique pertinente pour normaliser ces acteurs clefs du remodelage vasculaire de l’HTP, à l’interface entre inflammation et remodelage vasculaire. Cette approche intégrée de mon projet CoVeR pourrait également s’appliquer à d’autres maladies liées à une suractivité des TypeIR.

Les cellules souches et progéniteurs hématopoïétiques (CSPHs) incluant les progéniteurs multipotents (MPPs) résident dans la moelle osseuse (MO) en lien étroit avec des structures spécialisées, les niches endostéales et (péri)-vasculaires. Elles sont à l'origine de la production et du renouvellement des cellules immunes circulantes. La principale divergence des lignages lymphoïde et myéloïde se produit au stade MPP. Les CSPHs et le microenvironnement médullaire établissent des échanges bi-directionnels qui assurent leurs maintiens homéostatiques. Ces processus sont souvent dérégulés en situation pathologique. Les travaux se concentrant sur les MPPs étudient pour la plupart les régulations moléculaires liées à leur spécification vers un lignage. Cependant, notre compréhension de l’influence des facteurs extracellulaires ou de la localisation des MPPs dans la spécification lympho-myeloïde n’est pas résolue. Les progéniteurs lymphoïdes et myéloïdes communs sont générés à partir de sous-populations de MPPs phénotypiquement et fonctionnellement différentes: les MPP2 et MPP3 présentent un biais de différenciation myéloïde alors que les MPP4 seraient responsables du lignage lymphoïde. La localisation et les niches de ces différentes sous-populations de MPPs sont inconnues. Il reste également à déterminer si la localisation régionale des MPPs au sein de la MO influe sur leur spécification au moyen de contacts cellulaires spécifiques et à travers l'implication de facteurs extracellulaires tels que la chimiokine CXCL12. Réciproquement, il reste à définir si les MPPs sont capables de réguler leur propre niche via des interactions avec le stroma médullaire et si oui, par quels mécanismes. Dans ce contexte, les objectifs de ce projet, qui réunit trois partenaires ayant des expertises complémentaires dans l’immuno-hématologie (P1), l’ostéo-immunologie (P2) et la biologie des interactions leuco-stromales (P3), visent à définir le rôle du trio formé par CXCL12 et ses deux récepteurs CXCR4 et CXCR7/ACKR3 dans le maintien de la niche ostéo-vasculaire au sein de la MO et à déterminer l’impact de celle-ci sur la localisation et la spécification des MPPs chez la souris et chez l’Homme. Nous étudierons également si les MPPs régulent leurs niches au moyen de ce trio. La stratégie globale consistera à caractériser l'expression fonctionnelle du trio CXCL12/CXCR4-CXCR7 dans les sous-populations de MPPs et dans les composantes de la niche ostéo-vasculaire, et à établir le transcriptome de ces différents acteurs cellulaires dans le but d’appréhender les interactions moléculaires existant en trans entre les composantes stromales et hématopoïétiques. Nous espérons ainsi identifier des couples ligands/récepteurs impliqués dans la localisation et la spécification des MPPs. Ces expériences seront réalisées chez la souris incluant un modèle original du Syndrome WHIM (SW) qui résulte d’une mutation gain de fonction du gène codant CXCR4 et qui présente une altération des MPPs ainsi qu'une dérégulation de l'expression de CXCL12 dans la MO, et également à partir de prélèvements sanguins et médullaires issus de sujets sains ou atteints du SW.