Projets

Notre société de l'information est très largement basée sur le développement de composants électronique où le spin joue un rôle prépondérant et est utilisé comme une brique de base des composants électroniques pour le stockage de données ou la logique élémentaire. La miniaturisation constante des composants nécessite de développer de nouvelles approches pour manipuler l'aimantation dans des nano-structures individuelles. Ce projet multi-disciplinaire réunira des équipes de théoriciens et expérimentateurs en physique et chimie pour étudier de nouveaux mécanismes pour manipuler le spin à l'échelle atomique en vue de moduler le transport électronique (ou le magnétisme intrinsèque) de nano-composants élémentaires en leur conférant des propriétés nouvelles ou exacerbées. Les systèmes considérés seront en général des molécules organiques (ou organo-métalliques) entre deux électrodes inorganiques (magnétiques). Les techniques expérimentales utilisées seront basées sur la microscopie tunnel et la modélisation des systèmes utilisera grandement les méthodes ab-initio de transport électronique hors d'équilibre. Notre objectif final étant d'identifier les jonctions moléculaires pouvant fonctionner dans des conditions réalistes et les plus prometteuses la nano spintronique du futur.

La recherche sur les espèces animales domestiques est cruciale à la fois pour l'acquisition de connaissance scientifique mais aussi pour les nombreuses retombées socio-économiques qui y sont associées. Elle contribue notamment au développement de nouveaux modèles pour la recherche biomédicale, à l'amélioration de la santé et du bien-être des animaux d'élevage et de compagnie et permet d'augmenter durablement la productivité des filières de productions animales. Identifier les éléments fonctionnels des génomes d'animaux d'élevage est une étape essentielle pour définir le lien ente génotype et phénotype et pour le développement de la biologie prédictive. De nombreuses recherches ont été menées depuis des décennies pour comprendre le lien entre l'architecture génétique et les caractères quantitatifs et la publication récente des génomes de référence de ces espèces est un atout pour en comprendre le fonctionnement. Cependant, chez les espèces d’élevage, l'annotation de la séquence de référence est limitée à l'utilisation de données d’expression (cDNA, ESTs, RNAseq) et de polymorphismes (SNPs, CNV). Ce manque de connaissance est une limite forte à la compréhension du lien entre génotype et phénotype chez ces espèces ainsi qu'à l'exploitation de ces données pour des études de génomique comparatives et évolutives. C'est pourquoi de nombreux laboratoires de la communauté scientifique ont entrepris de se fédérer autour d'une initiative commune internationale nommée FAANG (Functional Annotation of ANimal Genomes). FAANG vise à produire des cartes des éléments fonctionnels des génomes des animaux d'élevage et de compagnie et s'inspire de projets antérieures similaires comme ENCODE ou IHEC ( International Human Epigenome Consortium). Ces projets ont démontré qu'il était possible d'améliorer l'annotation fonctionnelle des génomes collectivement, sur la base de grands consortia respectant des protocoles et procédures communes. L'objectif principal de FAANG est le développement de modèles prédictifs basés sur les mécanismes biologiques et génétiques sous-jacents, notamment épigénétiques, au cours de la différenciation et la réponse à des perturbations environnementales en lien avec les caractères de santé et de production, et comment ces mécanismes sont modulés par la variation génétique. L'article concrétisant cette initiative a été publié récemment (Andersson et al. Genome Biol. 2015; PMID: 25854118); le coordinateur de ce projet est co-auteur de correspondance et les partenaires de ce projet sont tous des contributeurs principaux. Ce projet (FAANG-ForE) est le résultat de cette collaboration étroite entre les principaux partenaires européens, aussi bien sur des projets nationaux soumis ou en cours de réalisation et reflète leur participation à la coordination de FAANG. Des contacts récents établis avec la commission européenne nous ont permis d'identifier un plan d'action pour consolider le leadership européen dans FAANG et permettre la création dans le long terme d'un Consortium International de Recherche (ICR). Cette structure est justifiée par la nécessité d’améliorer les génomes de référence et les connaissances des éléments fonctionnels de ces génomes animaux mais aussi par l’importance de l’analyse de la biodiversité pour des recherches appliquées et fondamentales. FAANG-ForE va ainsi permettre de renforcer la position leader de la France et de l’INRA dans la création de ce consortium. La première étape est de proposer pour FAANG une infrastructure européenne au prochain appel d'offre européen "EU Infrastructure proposal for Integrating and opening existing national and regional research infrastructure of European interest" dont la publication est prévu en octobre 2015. L’infrastructure FAANG permettra ensuite de faciliter le dépôt de projets pour les futurs appels d'offre H2020.

Nous envisageons d'organiser un consortium de partenaires européens pour soumettre un projet à l'appel FET OPEN en septembre 2017. Le but du projet FET sera de rassembler et adapter des résultats mathématiques récents en systèmes dynamiques et en théorie des valeurs extrêmes pour modéliser l'apparition et la dynamique d'événements climatiques rares ou extrêmes, et permettre à des décideurs et des acteurs économiques d'utiliser de tels résultats pour l'adaptation au changement climatique. Le projet FET open valorisera les simulations climatiques obtenues dans le projet CMIP5 (du précédent rapport du GIEC), et les simulations CMIP6 à venir. La détermination des extrêmes et leurs incertitudes sera effectuée dans le cadre de ces simulations numériques. La valeur ajoutée du projet, par rapport aux avancées théoriques, sera l'inférence des grandeurs mathématiques importantes pour les extrêmes, dans le cadre de données finies (en temps), à partir de simulations de contrôle, historiques et scénarios. Ce projet d'ANR a pour but d'organiser des réunions d'échanges pour construire le réseau de partenaires, formuler les défis et verrous scientifiques, et proposer un plan de dissémination des résultats scientifiques auprès de décideurs et acteurs économiques. Des groupes d'acteurs économiques seront invités aux réunion pour permettre une co-construction d'outils d'évaluation d'événements extrêmes.

Exascale challenges the programmer to write multi-level parallel programs, which means employing different paradigms to address multiple levels of parallelism in the system. In the multi-level programming paradigm FP3C targeting post-petascale systems, users are able to express high-level parallelism in the YML workflow language and employ parallel components written in the XcalableMP paradigm. XcalableMP (XMP) aims to combine productivity and performance and is a directive-based PGAS (partitioned global address space) language specified by Japan's PC Cluster Consortium. There it is the main vehicle for research in post-petascale programming models. XMP provides both, a global-view model and a local-view model - the first targeting node-level parallelism, and the latter offering a complete PGAS programming model. The XMP implementation employs MPI as its communication interface. In YML, the YvetteML workflow language is used to describe the parallelism of an application at a very high level. YML provides a compiler to translate the YvetteML notation into XMP-parallel programs, and a just-in-time scheduler managing the execution of parallel programs. It allows to hide low-level communication details from the programmer, particularly when coupling complex applications. Runtime error detection is the most practical approach for correctness checking. By exploiting the MPI profiling interface, the MUST correctness checker currently can detect a wide range of issues in MPI, as well as OpenMP and hybrid programs. The overall goal of this project is to ease programming of future Exascale systems by increasing the programming productivity. To this end we will investigate the application of scalable correctness checking methods to support the YML workflow language, the XMP programming model and selected features of MPI, such as one-sided communication. This includes research on how programming languages and parallelization paradigms could be extended to increase the validity and scalability of automatic correctness checking analyses. In summary, we will address two open research questions: first, which properties of a language or parallelization paradigm are required to enable effective automatic correctness checking and possibly to avoid errors in the first place, and second, how can existing specifications or APIs be extended to provide the necessary semantic information for the correctness checking tool. The development of correctness checking support for XMP will significantly improve the productivity in programming with XMP for Exascale systems. This project continues a French-Japanese collaboration existing for over 10 years and adds the scalable correctness checking support as a new component, delivered by the German partner. The project will result in joint research, publications and software development and consequently is expected to build important assets for future research activities.

DAMAE Medical développe un dispositif d’imagerie optique permettant au milieu médical.L’objectif de DAMAE Medical est de fournir aux dermatologues des images similaires aux images d’histologie traditionnelles sans avoir à faire ni préparation, ni prélèvement. Ainsi, la biopsie n’intervient que si nécessaire, après une première étape de diagnostic, et le patient économise une douleur et une cicatrice souvent inutiles. De détecter de manière plus précoce la présence de cellules tumorales dans les tissus biologiques. Aujourd’hui, lors d’une consultation, le dermatologue biopsie systématiquement toute anomalie cutanée suspecte sur le patient et l’envoie dans un laboratoire d’analyses où l’anatomopathologiste établira un diagnostic suite à un examen histologique.

SYBOT développe des robots collaboratifs, c’est-à-dire des robots en interaction avec les opérateurs humains. Les robots de SYBOT préservent le savoir-faire de l’entreprise utilisatrice tout en diminuant la pénibilité des postes et en gagnant en productivité. Ce projet est basé sur des technologies issues de plus d’une décennie d’expérience de R&D et déployées dans le nucléaire ou certains systèmes d’assistance au geste. En phase avec la politique volontariste de reconquête industrielle du gouvernement et avec le plan de prévention de la pénibilité, il vise une diffusion large dans l’industrie de ces technologies et usages collaboratifs, tous secteurs confondus. La robotique collaborative est identifiée comme un segment émergent de la robotique industrielle. L’ambition de l’équipe est d’abord européenne puis mondiale.

VitaDX a pour ambition de commercialiser une solution logicielle de traitement d’image numérisée par un scanner de lame en fluorescence à partir d’un échantillon d’urine préparé selon un protocole breveté. En effet, les cellules extraites de l’échantillon d’urine sont disposées sur une lame de microscope et préparées avec une coloration propriétaire permettant l’observation de différences d’intensité de fluorescence entre les cellules saines et les cellules cancéreuses et ainsi une discrimination entre ces deux populations. Cette solution innovante permet de passer d’un taux de détection de 15 à 20% à plus de 95% pour les cancers de la vessie précoce, permettant ainsi une amélioration très importante de la prise en charge du patient et une réduction très élevée du coût de prise en charge. D’autres cancers pourront être ciblés dans un deuxième temps.

Ce projet consiste en la maturation technologique, juridique et économique d’une technologie de caméra 3D innovante qui permet de mesurer simultanément la carte de profondeur d’une scène observée et la signature optique des éléments de la scène. Cette signature optique est une innovation majeure par rapport aux caméras 3D du marché. Cette grandeur spectrale peut notamment être utilisée pour déduire la nature des matériaux surfaciques des éléments de la scène observée (e.g. peinture, bois, métal, plastique, peau humaine, etc.) ou leurs couleurs propres, c’est-à-dire indépendamment de l’éclairage ambiant.

KNIMA propose d’exploiter des techniques innovantes de fouille de données multimédia dans des secteurs de marché comme : la publicité personnalisée, l’e-commerce ou le « social media intelligence ». Le projet se basera sur des résultats très récents obtenus au CEA LIST LVIC, qui combinent analyse d’images et de textes afin d’améliorer à la fois la mise à l’échelle et l’efficacité des résultats. Le positionnement envisagé est B2B afin de proposer des outils qui valorisent les contenus multimédia massifs traités par les clients potentiels.

OpenDreamKit will deliver a flexible toolkit enabling research groups to set up Virtual Research Environments, customised to meet the varied needs of research projects in pure mathematics and applications and supporting the full research life-cycle from exploration, through proof and publication, to archival and sharing of data and code. OpenDreamKit will be built out of a sustainable ecosystem of community-developed open software, databases, and services, including popular tools such as LinBox, MPIR, Sage(sagemath.org), GAP, PariGP, LMFDB, and Singular. We will extend the Jupyter Notebook environment to provide a flexible UI. By improving and unifying existing building blocks, OpenDreamKit will maximise both sustainability and impact, with beneficiaries extending to scientific computing, physics, chemistry, biology and more and including researchers, teachers, and industrial practitioners. We will define a novel component-based VRE architecture and the adapt existing mathematical software, databases, and UI components to work well within it on varied platforms. Interfaces to standard HPC and grid services will be built in. Our architecture will be informed by recent research into the sociology of mathematical collaboration, so as to properly support actual research practice. The ease of set up, adaptability and global impact will be demonstrated in a variety of demonstrator VREs. We will ourselves study the social challenges associated with large-scale open source code development and of publications based on executable documents, to ensure sustainability. OpenDreamKit will be conducted by a Europe-wide demand-steered collaboration, including leading mathematicians, computational researchers, and software developers long track record of delivering innovative open source software solutions for their respective communities. All produced code and tools will be open source.

The COSMICC consortium gathers key industrial and research partners with world-leading positions in the fields of Silicon photonics, CMOS electronics, Printed Circuit Board-Packaging, Optical transceivers and Data-Centers around a strong vision: mass commercialization of Si-photonics-based transceivers is possible starting in 2019 by enhancing the existing photonic integration platform of one of the partners, STMicroelectronics. COSMICC will develop optical transceivers that will be packaged on-board. Combining CMOS electronics and Si-photonics with innovative-high-throughput fiber-attachment techniques, the developed solutions are scalable to meet the future data-transmission requirements in data-centers and Super computing systems. With performances improved by an order of magnitude as compared with current VCSELs transceivers, COSMICC developed technology will answer tremendous market needs with a target cost per bit that the traditional WDM transceivers cannot meet. The early setting up of a new value chain will enable exploitation of the developed technologies. In a first high reward step-modification of the fabrication platform, COSMICC consortium will achieve mid-board optical transceivers in the [2Tbit/s -2pJ/bit- 0.2€ per Gbit/s]-class with ~200Gbit/s per fiber: the introduction of one process brick (SiN layer) in the photonic process will enable low-cost packaging techniques (up to 2x12 fiber channels) and practical coarse WDM implementation (4 wavelengths with no temperature-control requirements). The built demonstrators will be tested in lab and field environments. In compliancy with the enhanced-fabrication platform, lasers will be developed by heterogeneous integration of III-V material, targeting improved temperature behavior, and doubled-bit-rate payback. A second step-modification of the fabrication platform will consist in evaluating a disruptive process that enables SiGe layers with tunable Si-composition for achieving micrometer-scale devices.

On July 4th CERN has announced the discovery of a scalar particle at the Large Hadron Collider (LHC), later identified as the Higgs boson. This scientific breakthrough was accomplished due to the joint efforts of thousands of scientists from all around the globe. This long awaited discovery increased our understanding of the world, providing an explanation for the mechanism from which all elementary particles acquire mass. However, there are still fundamental questions awaiting a clear answer: which model better describes nature when all observed properties of this new particle are taken into consideration? Will these new models help to solve other outstanding problems in elementary particle physics? The goal of this project is to look for answers to these crucial questions regarding our understanding of nature. In order to address the problem we have gathered a group of people with complementary expertises that range from model builders to high-energy tool developers who will finally make the connection to the LHC's experimental collaborations. We expect that this interaction between the different nodes of this international collaboration will result in a database together with high-energy tools where a number of models will be readily available for testing by the experimental groups at the LHC and future colliders. The staff exchange will be planned according to the needs of the project. There have been collaborations in the past between some of the nodes. We now expect that the proposed staff exchange will enhance this Higgs physics network, with an effective skills development both for experienced and early stage researchers. Finally we foresee that the project will not only have an impact on European science but will also contribute to bring together different cultures with a very positive outcome for society as a whole.

The Europe-Japan Accelerator Development Exchange Programme (E-JADE) addresses the urgent need of exchange of ideas on R&D and implementation of future accelerators for particle physics. It does so by exchanging accelerator scientists and experts between Europe and Japan. The recent European Strategy for Particle Physics and the Japanese Roadmap identify similar pressing goals of research for the next decades. The strategy emphasises the exploitation of the Large Hadron Collider (LHC) and its upgrades, preparation of the cases for new facilities at the energy frontier (FCC or CLIC), identifies the opportunities for electron positron collisions (ILC), particularly after the recent discovery of the Higgs boson, and recognises the need for a long baseline neutrino programme at J-PARC in addition to the BELLE II programme of KEK. The user community at these facilities is international: a strong contingent of Japanese researchers from KEK and universities work on the ATLAS experiment, highly qualified experts from KEK contribute to the LHC itself, some two thousand researchers worldwide have signed the ILC design report and several hundred physicists are actively engaged in accelerator studies, such as on ATF to explore concepts generally applicable to linear colliders. The J-PARC neutrino experiment, with a strong European participation, has recently published important scientific results. The planned exchange of staff of leading European Laboratories and Universities with two prominent Japanese partners, KEK and University of Tokyo will focus on the most critical subjects and profiles namely on the design, R&D and prototyping of the future accelerator facilities mentioned above. Key objectives beyond technical progress are related to sharing of technical knowledge, project organisation, treatment of multiple safety codes for technical equipment, purchase methodologies and industrial capabilities, innovation and networks to significantly advance these projects.

The terahertz (THz) spectral region, located between the infrared and the microwave regions, is known as “the THz gap” because of the lack of compact semiconductor devices. This spectral domain is currently intensively explored in view of its potential for medical diagnostics, security screening, trace molecule sensing, astronomical detection, space-borne imaging, non-invasive quality control or wireless communications. A prerequisite for public-domain applications to emerge in the strategic THz frequency range is the availability of compact size semiconductor sources operating at room temperature, which is out of range of the current technology based on GaAs quantum cascade lasers. ZOTERAC proposes a disruptive approach based on ZnO-based nano-engineered semiconductors in order to realize THz emitters operating at room-temperature with milliWatt output power capability as well as THz quantum detectors with unprecedented large operating temperatures. These devices are based on the quantum cascade concept and take benefit of the large optical phonon energy of ZnO (twice that of GaAs) for achieving high temperature operation. Establishing a new state-of-the-art for the design, growth and processing of ZnO/ZnMgO heterostructures, and developing an advanced know-how on oxide-based devices are major challenges of the project. The consortium regroups world–class academic experts on ZnO technologies, quantum cascade lasers and detectors as well as THz optoelectronics. The strategies have been chosen based on a careful assessment of the risk attached to all tasks and achievement of targeted objectives at each stage of the project. This project which implies a strong expertize in basic physics, chemistry and engineering, is expected to generate high impacts in terms of scientific and technological achievements.

This research project focuses on the structure, classification and rigidity of three closely related objects: group actions on measure spaces, orbit equivalence relations and von Neumann algebras. Over the last 15 years, the study of interactions between these three topics has led to a process of mutual enrichment, providing both striking theorems and outstanding conjectures. Some fundamental questions such as Connes' rigidity conjecture, the structure of von Neumann algebras associated with higher rank lattices, or the fine classification of factors of type III still remain untouched. The general aim of the project is to tackle these problems and other related questions by developing a further analysis and understanding of the interplay between von Neumann algebra theory on the one hand, as well as ergodic and group theory on the other hand. To do so, I will use and combine several tools and develop new ones arising from Popa's Deformation/Rigidity theory, Lie group theory (lattices, boundaries), topological and geometric group theory and representation group theory (amenability, property (T)). More specifically, the main directions of my research project are: 1) The structure of the von Neumann algebras arising from Voiculescu's Free Probability theory: Shlyakhtenko's free Araki-Woods factors, amalgamated free product von Neumann algebras and the free group factors. 2) The structure and the classification of the von Neumann algebras and the measured equivalence relations arising from lattices in higher rank semisimple connected Lie groups. 3) The measure equivalence rigidity of the Baumslag-Solitar groups and several other classes of discrete groups acting on trees.

Mid-infrared (mid-IR) spectroscopy is a nearly universal way to identify chemical and biological substances, as most of the molecules have their vibrational and rotational resonances in the mid-IR wavelength range. Commercially available mid-IR systems are based on bulky and expensive equipment, while lots of efforts are now devoted to the reduction of their size down to chip-scale dimensions. The demonstration of mid-IR photonic circuits on silicon chips will benefit from reliable and high-volume fabrication to offer high performance, low cost, compact, low weight and power consumption photonic circuits, which is particularly interesting for mid-IR spectroscopic sensing systems that need to be portable and low cost. In this context, the INsPIRE project will address a new route towards key advances in the development of chip-scale integrated circuits on silicon for the mid-IR wavelength range. The original idea is to use nonlinear optical properties in Ge/SiGe quantum well (QW) active devices combined with Ge-rich-SiGe waveguides. The objectives of the INsPIRE project are far beyond the state of the art, by targeting the monolithic integration of passive and active devices for operation in the 3 to 15 µm wavelength range. As a main cornerstone we will demonstrate an optical photonic circuit based on Ge/SiGe QWs relying on a mid-IR light emitter combined with a mid-IR spectrometer and a detector array. The integration will be performed using Ge-rich-SiGe waveguides allowing the extension of the wavelength range up to 15 µm. Such demonstration, which will constitute a breakthrough for establishing chip-scale circuits for the mid-IR photonics, requires a deep knowledge and understanding of Ge/SiGe optical properties. In particular, second- and third-order nonlinear optical properties of Ge/SiGe QW structures will be investigated in a wide spectral range from 3 to 15 µm.

L'équipe du GPPMM d’XLIM en collaboration avec le laboratoire LPGP d’Orsay, a réussi une première mondiale en démontrant la génération et le confinement d’un plasma microonde dans le cœur d’une fibre optique à cœur creux. Ce résultat majeur a pu être obtenu grâce au soutien de la DGA dans le cadre du programme ANR Astrid UVfactor édition 2011. Durant ce projet, un nombre important de jalons a pu être atteint comme en témoigne le taux élevé de publications (5 articles, 15 conférences internationales dont 3 invitées, un brevet et le Rank Prize Funds 2014) parmi lesquels on peut citer la fabrication d’une nouvelle génération de fibres creuses qui représente aujourd’hui l’état de l’art mondial; la création et le maintien sans dégradation d’un micro-plasma dans ces fibres; sans oublier la démonstration du potentiel de la technologie des lignes microstrips pour répondre à l’aspect miniaturisation et basse consommation. L’ensemble de ces avancées démontre à la fois le fort potentiel émergent de cette technologie innovante qui est à la frontière de la photonique et des plasmas, mais aussi sa capacité à s’industrialiser dans un temps relativement court comme en témoigne son niveau de maturité qui est passé dans l’espace des 3 ans du projet Astrid de la preuve du concept à un niveau de TRL estimé entre 3 et 4. Ces résultats nous permettent aujourd’hui de pouvoir rentrer dans une seconde phase du projet pour aller vers la réalisation de sources laser UV/DUV fibrées compacts et industrialisables. En effet, cette technologie de rupture est porteuse de solutions aux verrous technologiques qui sont derrière le peu d’évolution des lasers UV depuis les années 70. L’objectif de la présente proposition sera donc d’utiliser les avancées technologiques d’Astrid UVfactor, et de passer du succès de la preuve du concept de la génération d’un plasma microonde dans les fibres creuses, au développement d’un composant photonique hautement intégré et fiabilisé combinant une émission laser UV/DUV accordable. Cette source laser est destinée à répondre aux besoins grandissants de la part de la communauté aussi bien militaire avec la détection de polluants et cibles dangereuses, ou les applications de bio-défense par spectro-plasma que civile avec le secteur médical comme en dermatologie pour le traitement du vitiligo et du psoriasis qui touche plus de 3 millions de personnes en France, pour ne citer qu’un exemple. Pour ce faire, le programme technique proposé dans le cadre de l’ANR Maturation visera trois actions majeures qui permettront d’étendre le choix sur le gaz à ioniser afin d’accorder l’émission dans la région spectrale UV/DUV; de miniaturiser le concept pour intégrer le produit dans les systèmes voir en faire un véritable laser portable; et enfin d’augmenter la brillance de la source. En parallèle, un dernier axe portera sur l’étude de marché afin d’affiner notre cahier des charges actuel au contact d’industriels leaders du domaine pour réaliser l’intégration du futur produit dans les systèmes. Dans ce contexte, le consortium se composera des deux académiques qui ont conduit le projet précédent ANR Astrid UVfactor auquel viendra se rajouter une nouvelle force d’appui avec le laboratoire SPCTS pour ses compétences dans la synthèse de céramiques afin d’adresser les aspects liés à la montée en puissance et rayonnement. Enfin, les résultats attendus du projet Plasma-PMC seront très clairement une suite naturelle du portefeuille de brevets détenu par la société GLOphotonics qui comprend plusieurs brevets touchant à presque tous les éléments de la chaine de développement, depuis la fabrication de la fibre creuse microstructurée, à l’assemblage de la fibre remplie de gaz jusqu’aux prototypes lasers. Par conséquent, GLOphotonics a été naturellement identifié comme le partenaire industriel privilégié pour intégrer le présent projet avec pour objectif final la réalisation du premier composant fibré Plasma-PMC et son démonstrateur laser à gaz UV/DUV associé.

Le projet CALITREC vise à développer de nouvelles sources à cavité externe émettant dans le domaine moyen infrarouge, basées sur les lasers à cascade quantique (QCL) et sur l’utilisation d’un nouveau type de miroir sélectif en longueur d’onde, inspiré des filtres à réseaux résonants ‘GMRF), appelés CRIGF (pour Cavity Resonant Integrated Grating Filters). Les filtres CRIGF permettent de réaliser des miroirs de forte réflectivité et de bande passante très étroite, tout comme les filtres à réseaux résonants, mais en présentant une très forte acceptance angulaire. Cette particularité permet leur utilisation avec des diodes laser dans des cavités externe de type œil de chat, mais simplifiée. La cavité ne consiste que de trois éléments : la diode laser, une lentille bille, et le filtre CRIGF, alignés pour former une relation objet/image entre la diode laser et le filtre. L’alignement de ces cavité est rendu de ce fait extrêmement robuste et tolérant envers des désalignements, en évitant les difficultés usuellement rencontrées lors de l’utilisation de cavité accordables à réseau en configuration Littrow our Littman-Metcalf. Plus encore, l'utilisation de filtres CRIGF permet d'ajuster indépendamment les différents paramètres de conception d'un cavité externe : la taille du mode optique,la sélectivité spectrale de l'élément diffractant et la pente d'accord en longueur d'onde. Le projet CALITREC comprend trois phases visant à démontrer des cavités accordables à QCL dans 2 fenêtres spectrales du moyen infrarouge. - une première phase visera à concevoir et démontrer des filtres CRIGF dans le domaine moyen infrarouge - une seconde phase verra l'implémentation de ces filtres dans des cavités externes couplées à des lasers à cascade quantique. Nous utiliserons des filtres CRIGF à gradient pour chercher à démontrer une accordabilité spectrale sur une large gamme, avec une insistance forte sur la démonstration de précision et de répétabilité d'accord qui semblent les deux points clé sur lesquels l'utilisation de filtres CRIGF peut permettre une rupture de performances. - une dernière phase se consacrera à l'étude et à la réalisation de filtres combinant des plages d'accord large à des plages d'accord fin permettant une couverture complète d'une grande gamme spectrale (100cm-1) combinée à des plages d'accordabilité fine sans saut de mode. Les retombées espérées du projet sont nombreuses. Premièrement, nous visons à démontrer des QCL en cavité externe présentant des performances à l’état de l’art et des accordabilités record, dans deux fenêtre de transparence atmosphérique, tout en utilisant des concepts et matériaux qui permettront une transposition aisée vers n’importe qu’elle autre région spectrale accessible aux lasers à cascade quantique. Ensuite, d’un point de vue théorique, nous visons à développer de nouveaux outils permettant de concevoir et modéliser des structures périodiques de taille finie. Enfin, expérimentalement, nous allons développer de nouvelles générations de structures QCL et CRIGF chacune porteuse de nombreuses applications allant bien au-delà de ce seul projet. Pour atteindre ces objectifs, CALITREC rassemble 4 laboratoires complémentaires. III-V Lab apporte sa maitrise reconnue des QCLs et la modélisation des CRIGF s’appuie sur la large expérience de modélisation des réseaux résonants de l’Institut Fresnel. Le LAAS est le seul laboratoire français ayant une expérience à la fois sur la réalisation de ces structures et sur leur implémentation dans des cavité externes, et l’Ecole Centrale Paris s’appuiera sur son experience de spectroscopie moyen infrarouge pour apporter des mesures de réflectivité quantitatives des CRIGF qui permettront de validé les modèles développés.

L'Antarctique constitue la plus grande réserve de glace stockée sur Terre. Dans un contexte de changement climatique, cette quantité de glace est susceptible de jouer un rôle majeur pour l'évolution du niveau des mers. La connaissance des variations actuelles du bilan de masse de surface (BMS) de l'Antarctique est donc un enjeu global. Actuellement, la valeur intégrée du BMS reste extrêmement mal contrainte, ce qui a conduit le GIEC à placer l’étude quantitative du BMS parmi les priorités d'étude du système climatique lors de son dernier rapport. Le projet ASUMA propose d'évaluer le BMS intégré à l’échelle de l'Antarctique en documentant la région de transition entre la côte et le plateau, région sur laquelle le BMS est très mal contraint et où les variations spatiales sont les plus fortes. Ces variations sont aujourd’hui encore impossibles à évaluer malgré l’existence des satellites. En effet, les relations entre SMB et données satellitaires sont actuellement calibrées à partir des mesures et d’une connaissance représentative du plateau uniquement. Nous proposons ici de mieux calibrer ces relations grâce à une méthode alternative basée sur une large palette de mesures originales effectuées dans la zone de transition, combinées à des analyses de rétro-trajectoires et de modélisation globale et régionale pour évaluer les variations récentes et future de BMS et les relier au climat. Au cours de trois campagnes de terrain, nous effectuerons des mesures spécifiques en zone de fonte, et un raid scientifique sur 1600 km afin de prélever 8 carottes (de 25 à 100 m) et des échantillons de névé dans une dizaine de puits de neige. Une attention particulière sera portée à la datation des carottes afin d’obtenir des informations précises sur la moyenne et la variabilité du BMS. Ces données ponctuelles seront interpolées à l'aide de données radar (terrestre) et de données satellitaires. Pour ce faire, nous effectuerons 1) une analyse précise des caractéristiques physique de la neige et de leur évolution spatiale et temporelle, 2 ) la mise en relation des caractéristiques physiques de surface avec le signal obtenu par télédétection, 3) la validation de modèles de circulation atmosphérique à partir des données de BMS de terrain interpolées à l'aide des données satellitaires. Ces informations permettront de répondre aux questions suivantes : 1. Comment varie le BMS dans la zone de transition entre côte et plateau ? 2. Quels sont les processus responsables de ces différences et dans quelle mesure l’origine des apports en humidité en est la cause? 3. Les modèles de circulation atmosphériques sont-ils capables de reproduire les processus et la distribution du BMS? 3. Peut-on relier les caractéristiques physiques des couches de neige proche de la surface avec les variations locales du BMS? 4. Peut-on retrouver caractériser l'état du manteau neigeux à partir des données de télédétection, et par suite, offrir des données pour interpoler les valeurs de BMS disponibles? Ce projet combine différentes approches. D'abord, d'importants développements seront effectués pour le suivi dans le temps de la rugosité (par photographie, avec un laserscan), de la taille des grains (mesures infrarouges), de la réflectance (radiomètre multispectral). Ensuite, les analyses chimiques, isotopiques et physiques de la neige permettront de contraindre les modèles climatiques utilisés pour l'Antarctique pour évaluer le BMS et son évolution future. Le projet offrira la coordination de deux thèses de doctorat entre les 3 principaux laboratoires français engagés dans des recherches sur la cryosphère (LGGE, LSCE, LEGOS), renforçant ainsi les collaborations déjà existantes. Finalement, le projet ASUMA représente la partie glaciologique d’un objectif scientifique plus large de la communauté scientifique française visant à réduire les incertitudes d'estimation du bilan de masse des grandes calottes pour une meilleure évaluation de l’augmentation future du niveau des mers.

DEDYCAS : Le carbone des sols, système dynamique dépendant de la profondeur : nouveaux concepts, mesures et modélisation Le réservoir de carbone organique des sols contient l'équivalent d'environ 300 années d'émissions de combustibles fossiles. Aussi des changements minimes de sa dynamique ou les modes de gestion des sols peuvent-ils moduler considérablement le cycle du carbone et le réchauffement climatique futurs. Le carbone profond de la zone critique, en dessous de 30 cm, représente la moitié de ce réservoir. Nos résultats préliminaires à ce projet, obtenus au moyen de traceurs isotopiques indiquent que ce carbone profond serait le siège de 25 à 30% des échanges bruts de carbone entre sols et atmosphère à l'échelle des décennies, alors que les modèles de simulation du système Terre actuels le prennent mal en compte. En effet sa dynamique est encore mal comprise et quantifiée. D'une part les flux souterrains sont mal connus, et d'autre part des études récentes ont montré que plusieurs processus complexes déterminent la dynamique du carbone profond : le mouvement vertical ou horizontal du carbone, les dynamiques écologiques à l'origine de comportements non-linéaires et d'effets de priming, la sorption, les protections, l'accessibilité du carbone aux décomposeurs. Ces processus sont tous en interaction entre eux et l'état de leur conceptualisation ne permet pas encore de les hiérarchiser ni de les inclure dans les modèles de simulation du carbone. L'objectif général de DEDYCAS est de conceptualiser ces processus, de déterminer leurs forces motrices, de quantifier leur expression dans les sols, et de les introduire dans plusieurs modèles opérationnels de prévision du cycle du carbone. In fine, les résultats intégrés dans le modèle global ORCHIDEE produiront de nouvelles simulations mondiales du cycle du carbone (1990-2100) incluant le carbone profond. DEDYCAS propose également des stratégies de gestion du carbone, superficiel et profond, et des actions renouvelant la formation sur le carbone des sols. La démarche de DEDYCAS repose sur une synergie entre mesure, expérimentation et modélisation. Une approche innovante et très spécifique est la mesure fine de la distribution des âges du carbone organique, vivant et provenant de la respiration hétérotrophe, au moyen des traceurs les mieux appropriés : les isotopes 13C et 14C en abondances naturelles, ainsi que les traçages artificiels 13C. Les transports de matière à l'origine du mouvement vertical du carbone seront également contraints par les isotopes radiogéniques et cosmogéniques traceurs des phases porteuses et mis en relation avec les activités biologiques. Les observations principales de DEDYCAS seront obtenues de deux populations de sites: des données isotopiques des partenaires et tirés de la littérature sur environ 300 profils mondiaux et de nouvelles données acquises sur un noyau de huit sites sélectionnés pour leur représentativité, leur diversité et les investissements collaboratif dont ils sont l'objet (observatoires de recherche), incluant des sites Méditerranéens et tropicaux. La modélisation combine hiérarchisation des processus complexes, implémentation des traceurs géochimiques au sein même des modèles et assimilation des données du projet. DEDYCAS fait de plus appel à une approche novatrice d'exploitation conjointe de traceurs isotopiques et d'introduction de ces derniers dans les modèles et à plusieurs technologies innovantes. Le consortium de DEDYCAS réunit écologues, géochimistes, spécialistes des sols, agronomes, statisticiens et modélisateurs. Il sera coordonné de façon synergique avec d'autres projets en cours ou prévus sur la dynamique du carbone. Les coûts marginaux majeurs seront les contrats post-doctoraux (41%) et les coûts analytiques (22%). Au-delà de la production scientifique primaire, DEDYCAS comprend une activité importante d'animation de la recherche, de formation et de vulgarisation (12% des coûts marginaux).

Peu de processus terrestres ont un tel potentiel à éveiller l'intérêt de tant de disciplines scientifiques comme le fait la serpentinisation des roches mantelliques le long des rides médio-océaniques. Cette région de la croûte océanique représente la frontière entre la géosphère profonde et les enveloppes externes de la Terre que sont l' hydrosphère et l'atmosphère, modulant ainsi tous les transferts de masse entre le manteau terrestre et l'exosphère avec un impact direct sur le climat, la composition des océans et de l'atmosphère, mais également la disponibilité en nutriments sur laquelle repose l'activité biologique et donc l'habitabilité de notre planète. Dans un même temps cet environnement représente un réacteur puissant où les molécules à la base du vivant sont naturellement synthétisées à l'échelle planétaire, soulignant dès lors la nécessité de considérer la lithosphère océanique qui se serpentinise comme un puissant moteur de fixation et de recyclage du carbone, toutefois très mal contraints en termes de sources et de puits mais également en ce qui concerne les mécanismes qui régissent ces réactions et leurs taux . De plus, cela suggère que dans ces environnements, les écosystèmes microbiens pourraient fonctionner uniquement sur des apports d'énergie géochimique, et ceci indépendamment de la photosynthèse et de la production primaire à la surface de la Terre, avec ainsi de grandes implications pour la compréhension globale des environnements souterrains de notre planète et la recherche d'analogues de la Terre primitive, amenant en outre à considérer la lithosphère océanique comme le plus grand habitat sur ??Terre . Le point clé ici est la capacité qu'ont les réactions de serpentinisation qui affectent les premiers kilomètres de la croûte à produire en continu de l'hydrogène moléculaire sur une large gamme de températures laissant supposer que les réactions de réduction du carbone se produisent sur de grandes profondeurs, depuis les niveaux profonds de haute température où les réactions ne peuvent être qu'abiotiques (i.e. processus chimiques purs) et ainsi générer des composés organiques d'intérêt prébiotique , jusqu'à des profondeurs colonisable où cet hydrogène représente une source précieuse d'énergie pour les communautés microbiennes chimiolithoautotrophes qui y vivent. Cette vie profonde qui rentre alors en compétition avec les processus abiotiques a en effet la possibilité de capitaliser sur le flux constant des produits de la réaction de serpentinisation, convertissant ainsi ce carbone en biomasse et permettant alors d'envisager, vu les volumes impliqués la lithosphère océanique comme le plus grand habitat microbien sur ??Terre . Ainsi les flux élémentaires entre la croûte océanique, les océans et le manteau pourraient être impactés par la présence de cette vie intraterrestre encore largement méconnue à l'heure actuelle . Le montant net de la contribution de cette activité biologique, l'ampleur de son impact, ainsi que les interactions entre l'altération de la croûte océanique, la réduction abiotique du carbone et l'activité microbienne n'ont pas encore été évalué par la communauté scientifique et représente une frontière à explorer en Sciences de la Terre et de la Vie. Sur la base de notre capacité à révéler la diversité chimique, minéralogique, génétique et métabolique dans les roches avec une résolution micrométrique, notre objectif est de réaliser, au travers d'une approche interdisciplinaire, une avancée majeure dans la compréhension des cycles profonds du carbone et de l'azote au niveau de la lithosphère océanique et à faire la lumière sur le potentiel de la serpentinisation à générer de manière abiotique des molécules organiques ainsi qu'à soutenir le développement d'une vie microbienne indépendant de la photosynthèse . En intégrant de nombreux outils et disciplines ce projet fournira une image détaillée de la réduction de carbone abiotiques et biologiques en profondeur dans la lithosphère océanique.

La région méditerranéenne est fréquemment affectée par des précipitations intenses qui produisent des crues soudaines et des glissements de terrain. Risque majeur en Méditerranée, les inondations et glissements de terrain causent chaque année des victimes et plusieurs milliards d'euros de dégâts. Bien souvent, les forts cumuls de précipitations qui produisent ces crues sont enregistrés en moins d’une journée lorsqu’un système orageux stationne au dessus d'une même région pendant plusieurs heures. La formation et la stationnarité de ces systèmes résultent d'interactions multi-échelles complexes entre le flux environnant, les reliefs du pourtour méditerranéen et la convection profonde qui rendent difficile une prévision précise du lieu et de la chronologie des précipitations convectives intenses. Le projet MUSIC a pour objectif principal de progresser dans la compréhension et la modélisation des précipitations convectives intenses en Méditerranée afin d'améliorer leur prévision aux résolutions kilométrique et sub-kilométriques. Pour atteindre cet objectif, (1) Le projet MUSIC exploite les observations recueillies au cours de la première campagne de terrain HyMeX (SOP1) qui a eu lieu en Méditerranée nord-occidentale (France, Italie, Espagne) du 5 septembre au 6 novembre 2012. Cette campagne apporte un jeu de données nouveau et unique décrivant les caractéristiques des systèmes convectifs et les conditions environnementales sur toute la Méditerranée nord-occidentale. (2) Le projet se concentre sur les paramétrisations physiques clés qui influencent fortement la modélisation et les prévisions de la convection atmosphérique profonde aux résolutions kilométriques et sub-kilométrique: (i) la modélisation des processus microphysiques, qui impacte directement les précipitations et (ii) la modélisation de la turbulence dans la couche limite, ainsi qu'au sein et en périphérie des nuages convectifs, qui influe sur l'initiation et la croissance de la convection nuageuse. (3) Le projet fait appel à des capacités nouvelles de simulations de résolution sub-kilométrique et de « Large Eddy Simulations » sur de grands domaines pour résoudre explicitement : (i) la turbulence et la microphysique dans les systèmes convectifs et dans la couche limite et (ii) les interactions multi-échelles entre la convection profonde et les processus à plus grande échelle afin de progresser dans la compréhension des évènements de pluies convectives intenses en Méditerranée. Les études de processus conduites dans MUSIC ainsi que ces simulations à haute résolution sur de grandes grilles fourniront des références et lignes directrices qui pourront être utilisés pour améliorer et valider les paramétrisations des modèles de climat, en particulier les schémas de convection profonde, de turbulence et microphysique qui sont des paramétrisations essentielles pour la simulation des extrêmes de précipitation.

Les changements globaux sont parmi les principales menaces pour les sociétés, directement et indirectement. En particulier, les changements climatiques et les invasions biologiques sont des causes majeures de perte de la biodiversité et de fonctionnement des écosystèmes, de dommages économiques et d’impacts sanitaires et sociétaux. Qui plus est, la synergie entre changements climatiques et invasions biologiques fait craindre des changements d’aire de distribution de la plupart des espèces envahissantes, notamment pour de nombreuses espèces parmi les plus problématiques. Spécifiquement, les insectes envahissants pourraient avoir accès à de nouvelles régions, y créant dans certains cas des impacts écologiques et économiques majeurs. L’objectif du programme InvaCosts est de caractériser et de quantifier les impacts des espèces envahissantes d'insectes au niveau mondial suite au changement climatique. Ces impacts seront considérés au sens large, incluant les pertes de biodiversité, les impacts sur le fonctionnement des écosystèmes ou sur les services écosystémiques, les coûts économiques (en agriculture, en foresterie, pour les infrastructures ou l’immobilier) et la santé publique. Ce projet se focalise sur les insectes, groupe taxonomique d’impact majeur dans toutes les catégories environnementales et sociétales d’intérêt, et dont le caractère ectotherme les rend particulièrement sensibles aux variables climatiques. InvaCosts réunit 3 équipes de pointe dans les 3 domaines clés de ce projet : écologie des espèces envahissantes, économie de l’environnement et épidémiologie de la santé humaine. Ce travail interdisciplinaire et collaboratif nous permettra de construire des modèles de distribution d’espèces envahissantes fournissant au niveau mondial les aires favorables aux invasions à la fois sous les conditions environnementales (climatiques, de régime d’utilisation des terres, de densité humaine, etc.) actuelles et à différentes dates dans le futur, sous différents scénarios d’évolution de ces conditions. Ces cartes probabilistes de distribution seront associées aux estimations de coût économique lié aux différents impacts de ces espèces, et au nombre de personne affectées par la présence de certaines de ces espèces du point de vue santé (allergies, attaques, vecteurs de maladies) afin d’estimer des coûts globaux et spatialisés. Ces estimations seront ensuite projetées dans le temps en fonction de l’évolution de facteurs climatiques, socio-économiques et autres, afin d’estimer les coûts économiques et sociétaux associés à ces changements du fait des insectes envahissants. Nous avons choisi de modéliser la distribution de 20 espèces parmi les plus néfastes (ravageurs d’écosystèmes naturels, nuisibles de l’agriculture, vecteurs de maladies humaines…) afin de fournir des prédictions d’impacts et de coûts globaux dans le cadre de changements climatiques. Nous espérons ainsi non seulement apporter les premières estimations robustes d’aires d’invasion de ces espèces parmi les plus problématiques, et du coût environnemental, économique et sanitaire qu’ils peuvent causer, maintenant et suite au changement climatique, mais également une indication sur l’ordre de grandeur de l’impact des espèces invasives sur nos sociétés, par le biais de la première estimation d’une valeur unique, monétaire qui regroupe tous les types d’impacts.

Les processus d’affouillement sont une cause importante de destruction des constructions (ouvrages d’art, ouvrages en terre et bâtiments) notamment lors des crues majeures mais leur prise en compte reste trop empirique. L’objet du projet SSHEAR est l’amélioration des connaissances sur les mécanismes d’affouillement et le développement d’outils novateurs d’observation et de modélisation aux échelles tant de maquettes expérimentales que d’ouvrages réels en vue de proposer des méthodes optimisées de diagnostic, d'alerte et de gestion. Le contexte du projet est d’un côté celui d’une expertise scientifique et technique quasi-inexistante actuellement sur la scène nationale et d’un autre celui d’une expertise internationale tournée vers des problématiques différentes de celles intéressant le territoire français. Le projet doit donc créer les conditions nécessaires à l’émergence de cette expertise nationale, au cours ou à la suite du projet. Dans le cas du patrimoine ferroviaire français, il existe ainsi un recensement exhaustif du patrimoine d’infrastructures établies en site aquatique. Et les principes d’organisation de la surveillance sont déclinés en différentes actions de visites d’inspection périodiques des ouvrages, d’actions associées d’analyse et de diagnostic, de surveillance renforcée basée sur la mise en œuvre d’instrumentations et/ou d’investigations notamment bathymétriques. Il n’existe cependant pas rigoureusement de classification de sensibilité. Pour dépasser cet empirisme, avancer sur l’amélioration des connaissances et proposer des méthodes optimisées de diagnostic, d'alerte et de gestion, le projet sur l’affouillement des ouvrages SSHEAR propose ainsi une approche multi-échelle et pluridisciplinaire basée sur : - les processus physiques d’écoulement et d’érosion à proximité d’ouvrages (ponts, berges…) ; - trois expérimentations de laboratoire offrant une observation multi-échelle ; - une approche réellement novatrice de modélisation biphasique ; - les observations et les enregistrements de terrain sur des ouvrages réels soumis aux forçages hydro-sédimentaires naturels voire anthropiques ainsi que des développements de matériel. Le consortium est constitué de six partenaires qui apportent, chacun dans leurs domaines respectifs, leurs expertises scientifiques et leurs compétences techniques. La très forte complémentarité des partenaires est un atout majeur et novateur du projet. Les profils des six partenaires sont en effet extrêmement variés : mécaniciens des sols et des fluides ancrés dans la pratique (part. 1, Ifsttar), géotechniciens de terrain, hydrauliciens, sédimentologues (part.2, Cerema), physiciens et mécaniciens (part. 3, FAST), gestionnaires d’infrastructures routières (part. 4, Cofiroute) et ferroviaires (part. 5, SNCF) et institut de recherche technologique (part. 6, Railenium). Les compétences très diverses coiffent ainsi, sans redondance, l’ensemble du spectre de la recherche et du développement sur les processus d’affouillements et leurs conséquences allant : - de la remontée d’informations du terrain à l’investigation multi-échelles des phénomènes, - de l’expérimentation à la modélisation, - des sciences « fondamentales » aux sciences de l’ingénieur, - du développement de connaissances scientifiques à l’écriture de guides pratiques.

Le projet UNESCOS propose l’exploration de nouveaux horizons en physique de la matière condensée basées sur l’interdépendance entre nouveaux états de la matière et supraconductivité dans des systèmes d’électrons fortement corrélés. Comprendre ce phénomène est une étape fondamentale vers la conception et l’élaboration de nouveaux matériaux supraconducteurs à très haute température, offrant de nouvelles solutions technologiques pour la production, le stockage et le transport de l’électricité. En s’attaquant au problème fondamentale de la mystérieuse phase dite de « pseudogap » à partir de laquelle la supraconductivité à haute température se développe dans des oxydes de cuivre supraconducteurs, le projet UNESCOS s’attache à l’étude d’instabilités associées à des ondes de densité de charges non conventionnelles et à l’apparition de supraconductivité pilotée par des phénomènes critiques quantiques. Le projet UNESCOS propose un programme recherche impliquant des physiciens du LNCMI, du LLB et de l’IPht, dont les travaux sur les propriétés électroniques anormales des oxydes de cuivre supraconducteurs ont reçu une importante visibilité ces dernières années. Ces travaux ont révélé des phénomènes de reconstruction de surface de fermi et stabilisation d’un ordre de charge sous champ magnétique, l’existence d’un nouveau type d’ordre magnétique associé à la phase de pseudo-gap, la possibilité de condenser de nouvelles phases électroniques au voisinage d’un point critique quantique antiferromagnétique. Pris séparément, ces travaux favorisent différentes images physiques, apparemment contradictoires. Le projet UNESCOS propose d’établir des liens entre des phénomènes supposés distincts ou antagonistes et promouvoir l’émergence d’un cadre théorique unifié, sur la base d’une théorie du pseudogap impliquant l’existence d’un paramètre d’ordre composite mélangeant ordre de charge quadrupolaire et supraconductivité de symétrie d. Cette théorie, nouvelle, contrôlée et prédictive, sera développée, afin d’expliquer ou prédire de nouvelles observations expérimentales qui seront réalisées dans le cadre du projet UNESCOS. Les travaux théoriques seront réalisés en relation étroite avec des mesures thermodynamiques (vitesse du son), de diffraction et de spectroscopie (neutrons et rayons X), fournissant des informations précises relatives à la nature et la symétrie des états électroniques anormaux observés. Les expériences proposées requièrent des technologies disponibles uniquement dans de grandes infrastructures de recherche, telles que les sources de neutrons, les synchrotrons et les laboratoires de champ magnétique intense.

Les cellules solaires de première génération, constituées de substrats de silicium cristallin (c Si) de grande pureté, ont dominé le marché du photovoltaïque (PV) pour plus d’un demi-siècle. Compte tenu de la bande interdite du Si (1.12 eV), l’absorption efficace de photons impose l’utilisation de substrats épais (180 300 µm) de haute qualité et coûteux. La deuxième génération de cellules solaires adopte les couches minces en sacrifiant la performance et la stabilité dans le but de réduire le coût par watt. La nouvelle génération de cellules solaires vise la nanostructuration du Si dans le but d’augmenter les performances de la cellule en réduisant l’épaisseur de la couche absorbeur. Dans ce contexte, les nouvelles structures à jonctions radiales (JRs) à base de nanofils de silicium (NFsSi) s’illustrent comme une solution innovante du fait que l’absorption optique et la collecte des porteurs peuvent être découplées. Le projet Solarium vise à fabriquer des cellules PV tandem suivant une architecture à JR constituée de NFsSi recouverts par des couches minces de a-Si:H et µc-Si:H. De telles cellules solaires représentent une voie prometteuse puisqu’elles s’inscrivent dans une logique de fabrication à bas coût et, qui plus est, compatible avec les technologies de dépôt à basse température propres au PV. Dans Solarium, la fabrication des cellules sera guidée par des techniques avancées de caractérisation et la modélisation optique et électrique qui permettront d’identifier les paramètres limitant les performances. Outre le développement et l’optimisation des cellules tandem à JR, le projet Solarium portera aussi sur leur intégration dans des modules PVs : interconnexion des cellules, encapsulation et tests. La première architecture de dispositifs visera des cellules à JR de type n-i-p avec comme matériau actif le a Si:H. Le choix de cette structure par rapport à une cellule p-i-n est guidé par des résultats de modélisation électrique qui montrent qu’un cœur de NFSi de type n offre des meilleures performances (jusqu’à 12 %) qu’un coeur de type p. En outre, la structure n-i-p apparaît plus robuste à la dégradation induite par la lumière dit light-soaking (LS). Une autre alternative pour obtenir une meilleure stabilité au LS consisterait à utiliser une couche intrinsèque de µc Si:H au lieu du a-Si:H. La réalisation de cette structure n-i-p reposera sur la forte expertise du LPICM qui a actuellement démontré des rendements de 8 % sur des structures p-i-n à base de NFSi/a-Si:H. Afin d’accroître encore les rendements, des JRs à base de NFSi/µc-Si:H seront proposées comme seconde approche compte tenu du fait que le µc-Si:H absorbe un spectre plus large et qu’il est moins sensible aux problèmes de LS. Le développement de cette deuxième approche requiert un couplage de la modélisation optique et électrique afin de définir la structure optimisée. D’un point de vue de la fabrication, il y a eu des avancements considérables dans le dépôt conforme de couches de µc-Si:H qui profitera à cette deuxième architecture et aux dispositifs plus complexes de type cellules tandem à JR. La troisième étape du projet portera sur la réalisation des dispositifs tandem à JR combinant des couches minces de a-Si:H et µc-Si:H. Le but de cette étape sera d’atteindre un rendement de conversion supérieur à 10 % pour une simple JR et supérieur à 15 % pour une cellule tandem à JR. Une partie importante du projet Solarium sera consacrée à la réalisation de prototypes de modules PVs. Il s’agira en particulier de développer des procédés robustes pour l’interconnexion des cellules en série et l’encapsulation, le but étant le développement de modules de 10 x 10 cm². Le consortium de recherche Solarium est constitué de quatre laboratoires (LPICM, LGEP, PMC et GPM) et d’un partenaire industriel français du PV (SOLEMS) possédant des nombreuses expertises, notamment dans le PV et les nanotechnologies.

La proposition de recherche concerne les technologies de micro-combustion utilisées dans la production et / ou l'utilisation de l'énergie par des équipements de taille réduite. Le terme microcombustion indique que la combustion a lieu dans de petits espaces de l'ordre de grandeur de quelques millimètres. Typiquement, la microcombustion est étudiée dans des tubes de diamètres compris entre 2 et 6 millimètres ou` une flamme de diffusion ou bien prémélangée se stabilise dans un écoulement laminaire. A cette échelle, la surface des parois par rapport au volume de l'enceinte augmente de fac¸on drastique conduisant à des situations inhabituelles pour la combustion. La limite basse d'inflammabilité, le diamètre et la vitesse de propagation de la flamme sont contrôlés par des phénomènes qui différent de ceux contrôlant la combustion dans des enceintes plus grandes. Les études existantes, principalement phénoménologiques, dont une menée par le coordinateur du projet actuel, ont mis en évidence de nouveaux mécanismes de stabilisation et de mouvements oscillatoires jamais observés à des échelles plus grandes. Au-delà des limites d'inflammabilité classiques observe´s pour les flammes très pauvres ou très riches, de nouveaux régimes transitoires ont été observés. A ce stade, la microcombustion souffre d'un manque de recherches fondamentales en termes d'expériences, la modélisation et la simulation numérique. Le but de notre projet est d'étudier la physique des micro-brûleurs à travers quatre directions simultanées: • Tout d'abord, des expériences seront menées pour mesurer la dynamique de la flamme, les interactions flamme / paroi et l'influence des sources d'énergie externes sur les mécanismes de stabilisation en tube microscopique. Le de´fi est la mise en place de diagnostics laser dans un tube de quelques millimètres de diamètre afin de quantifier les concentrations de radicaux, la vitesse d'écoulement, la température de paroi et l'emplacement du front de flamme avec un taux d'échantillonnage suffisamment élevé pour suivre les phénomènes instationnaires et transitoires. • Deuxièmement, les simulations numériques fines (DNS) seront réalise´es pour étudier le comportement transitoire observé dans de tels systèmes. Des efforts seront concentre´s sur le couplage entre l'écoulement et les parois. • Troisièmement, l'ajout d'une aide extérieure pour la combustion grâce a` l'utilisation de plasma sera étudié à la fois expérimentalement et numériquement. Expérimentalement, le défi consiste à générer un plasma efficace dans des volumes très faibles, pour ensuite mesurer et quantifier l'impact et le gain éventuel apporté par le plasma sur la dynamique des flammes. Numériquement, les développements porteront sur la cinétique de combustion afin de prendre en compte le couplage avec les radicaux émis par le plasma. • Quatrièmement, la petite taille de la chambre de combustion et le fort couplage entre les murs et l'écoulement donne lieu à des variations rapides de la position de la flamme. Cette situation permettra de développer de outils bas ordre visant à prédire le mouvement de la flamme, en prenant en compte les couplages non-linéaires. La richesse, le matériau de la paroi, la vitesse d'écoulement et le diamètre du tube sont parmi les paramètres à prendre en compte pour aborder la dynamique de combustion. Ces outils de prévision seront d'une grande aide pour ouvrir la voie a` la conception rapide et efficace de ce type de brûleurs.

De nombreux systèmes moléculaires complexes absorbent la lumière dans l’UV, certains d’extrême importance pour la biologie, comme les bases de l’ADN ou les protéines. Les états excités peuplés par l’absorption UV bénéficient de mécanismes de désactivation d’importance majeure pour la photostabilité de ces espèces. Ces processus, souvent ultrarapides, offrent un moyen rapide et efficace de dissiper l’excitation électronique sous forme de vibration, évitant ainsi les réactions photochimiques. Les objectifs du projet sont de caractériser les états excités de systèmes pertinents sur le plan biologique et d’établir la nature des mécanismes de relaxation non radiative. L’originalité du projet, qui implique des physiciens de la phase gazeuse, des physico-chimistes ainsi que des théoriciens, réside dans la synergie de l’approche entre expérience et théorie. Centré sur une série de molécules flexibles d’intérêt biologique, qui présentent de multiples conformations, le projet étudiera notamment le lien entre dynamique électronique et structure. Du point de vue expérimental, la spectroscopie IR/UV menée avec des lasers nanoseconde est utilisée en routine pour obtenir des informations croisant structure (notamment le contenu en liaisons H) et dynamique. Elle n’est cependant plus applicable aux conformères présentant des durées de vie très courtes (< 1 ps), qui alors indétectables, sont «manquants » dans les expériences en nanoseconde. Ce cas est malheureusement relativement fréquent dans le cas des molécules d’intérêt biologique, ce qui rend difficile la comparaison entre expérience et théorie. Le premier objectif sera donc de déployer des procédures expérimentales nouvelles afin de détecter et caractériser ces espèces à partir de leur spectroscopie IR, en particulier en utilisant la spectroscopie de photoélectrons, qui favorise la sensibilité à la conformation; le but ultime étant d’enregistrer séparément à l’échelle fs la dynamique de chaque conformère. En parallèle, la spectroscopie IR en gouttelettes d’hélium sera mise en œuvre durant le projet et appliquée à une série de molécules flexibles, avec pour avantage unique sa sensibilité à l’ensemble de la population conformationelle. Du point de vue théorique, le défi est double : i) identifier, dans ces molécules complexes, les mouvements critiques favorisant la relaxation électronique et ii) décrire simultanément d’une façon équilibrée et précise des états électroniques multiples de nature très différente. C’est pourquoi le projet propose une approche innovante en deux étapes. D’abord des simulations de dynamique non-adiabatique basées sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps suggèreront des chemins possibles de relaxation conduisant à la désactivation. Ces chemins seront ensuite raffinés, à un niveau de théorie plus élevé, en recourant à deux méthodes ab initio, les méthodes standard Coupled Cluster et une méthode originale d’interaction de configuration multiréférence utilisant les orbitales localisées. Les résultats expérimentaux sur des conformères précis pourront être directement comparés aux études théoriques, autorisant une rétroaction efficace entre les deux approches. Il en résultera : i) une attribution précise des processus photophysiques dans des molécules conceptuellement importantes, ii) une validation des calculs des états excités par comparaison avec les données expérimentales, ou, encore, avec résultats théoriques obtenus à l’aide de méthodes de chimie quantique de très haut niveau. Ce projet interdisciplinaire devrait contribuer à une meilleure compréhension de la dynamique des états excités suite à une absorption lumineuse et promouvoir le développement technique des méthodes de simulation décrivant le devenir de l’énergie absorbée. Ces processus de conversion de l’énergie sont d’une importance fondamentale et présentent un champ d’application potentiel englobant notamment la photochimie, la biologie ou la science des matériaux.

Présentation. Nous utiliserons les simulations de dynamique chimique (« chemical dynamics ») pour modéliser: (1) des expériences de dissociation induite par collision (CID) réalisées sur des peptides, des glucides et des stéroïdes, et (2) la synthèse de peptides dans le milieu interstellaire. Le but des simulations CID est d’étudier à l'échelle microscopique les mécanismes mis en jeu lors du processus CID, et d’obtenir des spectres MS/MS théoriques prédictifs. Simuler la synthèse des peptides vise à déterminer si ce processus est possible dans le milieu interstellaire, par le biais de réactions molécule-molécule et/ou ion-molécule, et ce avec ou sans catalyseur. Les simulations seront faites en utilisant la dynamique directe, dont la méthode de dynamique chimique est directement couplée avec la théorie de la structure électronique. Valeur intellectuelle. Le projet de recherche proposé est basé sur une collaboration avec l’équipe du prof. W.L.Hase (USA). Au cours d’études précédentes, nous avons étudié le transfert d’énergie et la dynamique de fragmentation associés à la dissociation induite par collision (CID) de l’urée protonée et du complexe [Ca(urea)]2+. Grâce à cette collaboration très solide entre Etats-Unis et France, nous travaillerons, dans le cadre du programme international NSF-ANR, sur de nouveaux développements afin de mieux comprendre différents phénomènes inhérents à la dynamique des réactions chimiques. Durant ce projet seront étudiées : 1) la fragmentation de peptides, de glucides et de stéroïdes par le biais de la modélisation théorique des expériences de spectrométrie de masse dite « tandem », 2) la réactivité bimoléculaire conduisant à la synthèse de peptides. L’importance de la première partie peut être illustrée par l’étude des peptides. Malgré la multitude de travaux réalisés en spectrométrie de masse sur la dissociation des peptides, de nombreuses voies de fragmentation ne sont ni comprises ni classifiées. Ainsi, il a été montré que 40 à 70% des ions présentant une forte intensité sur les spectres MS/MS, ne sont pas utilisés par les moteurs de recherche afin de caractériser et identifier les protéines. Différents problèmes sont rencontrés, tel que la perte de l’information de séquence après fragmentation (« scrambling »), ou le fait que les peptides ne se fragmentent pas comme des modèles simples peuvent le laisser présager. Ceci est dû notamment à des fragmentations inattendues au niveau des chaines latérales. Grâce aux simulations du processus CID par dynamique directe, nous pourrons mieux appréhender ces problèmes. Les spectres de MS/MS théoriques des peptides, mais aussi d’autres molécules biologiques, seront obtenus en couplant les dynamiques de fragmentation non-statistiques aux temps courts avec les calculs statistiques RRKM au temps longs. Ces derniers utiliseront les distributions de transfert d’énergie après CID obtenus par simulations. En ce qui concerne la deuxième partie, nous utiliserons les simulations de dynamique directe afin de répondre à la question de la présence des biomolécules dans le milieu interstellaire, et d’étudier les effets dynamiques pouvant être à la base de la synthèse de peptides dans ce milieu. Le but est de comprendre la dynamique des réactions de synthèse peptidique se produisant soit en phase gazeuse, soit sur une surface de graphite (afin de mimer les surfaces des météorites), comme il a été suggéré pour reproduire des conditions astrophysiques. Nous concentrerons notre attention sur la formation d’acides aminés et de dipeptides issus de réactions ion-molécule et/ou molécule-molécule. Afin de faciliter la synergie entre les deux groupes, des échanges fréquents seront effectués, et les post-doctorants recrutés changeront chaque année de laboratoire.

L’objectif de ce projet est de développer de nouveaux outils photoactivables pour isoler et déclencher un processus catalytique spécifique par impulsion laser. Cette impulsion laser fixe le temps zéro, et permet de synchroniser l’initiation de l’événement catalytique dans un ensemble de protéines natives en solution. Actuellement, des molécules cagées constituées d’une partie active (cofacteur, ligand) et d’un groupement photolabile sont utilisées pour contrôler le démarrage d’une réaction enzymatique, l’impulsion laser servant à la photo-déprotection de la partie active. Cependant, le temps de diffusion de la partie active jusqu’à la protéine cible peut être trop long, donc inadapté pour des études résolues dans le temps de protéines avec un cycle catalytique rapide. Notre projet représente une nouvelle approche pour synchroniser un ensemble de protéines en solution, en utilisant une molécule photoactivable directement liée à la protéine, capable de déclencher la catalyse par injection ultrarapide d’électrons à la protéine après impulsion laser. Ce projet est centré sur l’utilisation de nouveaux analogues photoactivables de NADPH, nommés nanotrigger (NT), ciblant le site de fixation de NADPH des NO synthases (NOS) et de la cytochrome P450 réductase (POR) afin de stabiliser ces enzymes dans une conformation propice à la cristallisation. Ce projet permettra de (1) déterminer la structure aux rayons X des complexes NT-protéines; (2) élucider le mécanisme des premières étapes catalytiques des NOS et POR réductases à l’échelle moléculaire par des études cinétiques en solution; en parallèle, des études réalisées sur des cristaux de complexes NT-protéines permettront de « visualiser » à une résolution atomique, par cristallographie aux rayons X résolue dans le temps, les premières étapes catalytiques et les changements conformationnels leurs étant associés; (3) sur la base des structures des complexes, il sera possible de concevoir de nouveaux activateurs spécifiques de l’isoforme eNOS par modélisation moléculaire et de les synthétiser; (4) les propriétés intrinsèques d’imagerie de fluorescence des NTs et leur spécificité permettront, à l’échelle de cellules endothéliales vivantes, de suivre le trafic de l’enzyme eNOS par excitation biphotonique. Le processus de photoactivation réalisé par NT s’inspire de la photosynthèse: il implique un changement du potentiel redox de la molécule active (NT lié à la NOS) par absorption d’un ou de deux photons, induisant un transfert d’électrons à la protéine. Ce concept ouvre des perspectives, notamment dans le domaine de la photosynthèse artificielle. De plus, la capacité de déclencher sélectivement l’activité d’enzymes telles que eNOS, impliquée dans la dysfonction endothéliale, ouvre aussi de nouvelles options thérapeutiques dans le traitement de maladies telles que l’hypertension, le diabète, et certains processus neurodégénératifs. NOSTIME est un projet multidisciplinaire de recherche fondamentale, établissant de nouvelles collaborations internationales entre la France et les Etats Unis. Le partenariat français aux compétences multiples en synthèse organique (J. Xie), en modélisation moléculaire et en biophysique (A. Slama-Schwok), en fluorescence résolue dans le temps et en imagerie biphotonique (E. Deprez), est associé à un partenariat américain complémentaire expert en biochimie et en structure de NOS et P450 (L. Roman and J.J. Kim). Drs. Roman et Kim sont des collaboratrices de longue date dans les études de NOS. La synergie des partenaires en enzymologie des NOS, en cristallographie aux rayons X et la disponibilité d’instrumentation de pointe pour la cristallographie résolue dans le temps jointe au savoir-faire des équipes françaises en synthèse, modélisation et biophotonique rassemble en un seul consortium toutes les expertises nécessaires à la réalisation de ce projet, un atout majeur pour garantir le succès de ce projet.

Les matériaux de structure des réacteurs nucléaires subissent des conditions d’irradiation sévères, donnant lieu à des modifications de leurs propriétés mécaniques (e.g. un durcissement) et à des variations dimensionnelles (e.g. le gonflement des aciers austénitiques). Il est important de comprendre et prédire les mécanismes sous-jacents pour assurer la sécurité des centrales dans le cadre de l’allongement de leur durée de vie. De tels effets résultent de la création de lacunes, d’auto-interstitiels et d’amas de défauts sous irradiation neutronique. Par diffusion thermique dans la matrice, les défauts ponctuels peuvent disparaître aux puits (joints de grains, surfaces, dislocations), se recombiner avec leur anti-défaut ou s’agglomérer avec d’autres défauts. La microstructure qui en résulte est constituée de petits amas tels que les boucles de dislocation et les cavités, qui piègent les dislocations, conduisant au durcissement. De plus, les neutrons induisent des réactions de transmutation qui produisent de l’hélium. Ce dernier peut interagir avec les défauts ponctuels et les amas, en particulier s’ils sont de type lacunaire, ce qui affecte leurs propriétés énergétique et cinétique et donc leur effet sur l’évolution des propriétés du matériau. Mieux comprendre comment ces amas se forment ainsi que leur évolution temporelle est essentiel pour appréhender la réponse du matériau à l’irradiation. Malheureusement il est en général impossible d’étudier seulement un type de défaut expérimentalement, car les autres amas toujours présents jouent sur la cinétique via l’absorption et l’émission de défauts ponctuels. Récemment, nous avons trouvé un moyen d’étudier uniquement les boucles de dislocation interstitielles dans le fer pendant un recuit isochrone réalisé à partir de la température ambiante, en les faisant croître par un mécanisme de mûrissement d’Ostwald piloté par l’échange de lacunes. L’idée est d’implanter de l’hélium à une fluence et une énergie appropriées pour neutraliser l’émission de lacunes par les cavités, qui sinon perturberait le mûrissement. Cette expérience permet également d’étudier la thermodynamique des bulles d’hélium. Le projet est basé sur cette méthodologie qui sera appliquée dans trois métaux de structure cubique centrée (Fe, V et Ta). EPIGRAPH a deux objectifs principaux. Le premier est de piloter la croissance des boucles et d’un nouveau type d’amas interstitiels tridimensionnel, appelé amas C15. La température à laquelle les boucles croissent pendant le recuit isochrone est surtout sensible à l’énergie libre d’activation pour la formation et la migration de la lacune. La mesure de cette température donnera une estimation de cette quantité dans les métaux considérés. En outre, nous essaierons de faire croître les amas C15 en modifiant les conditions d’irradiation, ce qui est la partie la plus ambitieuse du projet. En effet, nous avons récemment prédit la forte stabilité des amas C15 dans le fer par calculs ab initio, mais jusqu’à présent aucune preuve expérimentale n’existe. La croissance des amas C15 pendant un recuit faciliterait leur observation par microscopie électronique à transmission. Le second objectif est d’étudier les propriétés des bulles, du point de vue de leur contenu en hélium et de leur stabilité thermique. Une collaboration étroite est prévue entre les expériences et les simulations aux différentes échelles, de l’ab initio et des calculs de dynamique moléculaire pour spécifier les conditions d’irradiation, à la dynamique d’amas pour simuler les expériences de recuit. De plus la validité des calculs de dynamique d’amas sera évaluée par les caractérisations réalisées sur les états implantés et recuits, augmentant son caractère prédictif. Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet devraient donner un éclairage sur les propriétés des petits amas produits par irradiation neutronique et conduire à une meilleure compréhension des phénomènes provoqués par l’irradiation comme le durcissement.

La gravure du silicium est une étape clé dans la réalisation des dispositifs en opto et microélectronique. La formation de macrostructures comme des tranchées, des macropores ou des piliers est essentielle pour le développement de familles de composants dans de nombreux domaines de recherches et applications commerciales. La gravure du silicium est réalisée chimiquement soit en solution soit par plasma, avec en général une ou plusieurs étapes de lithographie. Cependant, on est souvent limité dans la conception de structures parfaitement adaptées aux dispositifs car toutes les formes ne peuvent être obtenues du fait de l’influence de la cristallographie ou des limitations dans les rapports de forme. De plus, dans certaines industries (e. g. photovoltaïque), la lithographie est incompatible avec les coûts et contraintes techniques des lignes de production, limitant ainsi les structurations de surface réalisables et donc leur efficacité. Récemment, une nouvelle manière de dissoudre le silicium a vu le jour. Elle est basée sur la mise en contact à l’échelle nanométrique du silicium avec un métal noble en présence de HF et d’un agent oxydant (e. g. H2O2). Le métal joue le rôle de catalyseur permettant une dissolution localisée avec une résolution de quelques nm seulement. Récemment, un groupe japonais a démontré qu'il est aussi possible avec cette méthode d'utiliser des électrodes de taille micrométrique en Pt. Le projet PATTERN a pour objectif de mettre au point un nouveau procédé de gravure basé sur ce principe, permettant une « nano-impression » par contact direct d'une électrode métallique sur le silicium en une seule étape d’(électro)chimie. Le but visé est de pouvoir répliquer une large variétés de forme, pores, tranchées à facteur de forme élevé, pyramides inversées, micro-piliers, à la fois avec une grande précision (~10 nm) et à grande échelle (> cm2). Le verrou principal réside dans la nécessité d’avoir une interface nanostructurée assurant un triple contact Silicium/Électrolyte/Métal indispensable à la gravure. L’aspect novateur consiste à élaborer et utiliser des électrodes volumiques poreuses de métaux nanostructurés assurant ce triple contact quelles que soit les dimensions envisagées et par ailleurs utilisables un grand nombre fois dans de futurs procédés industriels. Une première application du procédé sera testée dans le domaine des cellules solaires au silicium. PATTERN s'articule en 3 tâches selon une approche multidisciplinaire alliant microélectronique, optique, métallurgie des poudres, électrochimie des semiconducteurs, modélisation électroniques des interfaces : T1- Élaboration d’électrodes poreuses nanostructurées à relief déterminé (IEMN). Production de moules avec des motifs périodiques basiques ou complexes; Élaboration d'empreintes métalliques nanoporeuses par frittage de poudre. T2- Gravure par contact du silicium (ICMPE). Étude de la gravure et de la qualité du transfert de forme de l'électrode au substrat de silicium, selon différents métaux et agents oxydants ; Optimisation des conditions chimiques et opératoires. T3- Modélisation électronique 2D de l’interface Silicium/Électrolyte/Métal (LGEP). Localisation des courants anodiques autour de plots métalliques de ~ 10x10 nm2 ; Étude en fonction des travaux de sortie des métaux, de la polarisation, de l’espacement des plots. Pour mener à bien le projet, 3 équipes de recherche spécialisées en microélectronique (IEMN), gravure (électro)chimique du silicium (ICMPE), et modélisation des propriétés électroniques des semiconducteurs (LGEP) se sont réunis. Ils ont une expertise reconnue dans les applications concernant l'optoélectronique et le photovoltaïque avec la prise de nombreux brevets internationaux.

L’objectif d'ObNAREM est de réaliser des aimants permanents à base d’hétéro-nanostructures consolidées d’oxydes magnétiquement contrastés. Les nanomatériaux élaborés sont des assemblages denses de nanocristaux ferri- et antiferromagnétiques d’oxydes de métaux de transition d, bon marché, initialement préparés en solution et présentant à leur interface une forte anisotropie d’échange. La composition chimique et la microstructure de ces nanocomposites avant et après consolidation, sont des paramètres d’ajustement majeurs dont la définition sera guidée par modélisation ab initio et calculs Monte Carlo multi-échelle, confrontés aux mesures magnétiques locales et globales. Ces aimants sans terre rare devraient trouver un large usage dans l’industrie automobile pour des applications concrètes aussi bien pour la fonctionnalité de l’habitacle des voitures que pour l’efficacité de leur motorisation. L’usage des terres rares présente en effet en même temps un problème stratégique, économique, environnemental et technologique. Ce projet vise à remédier à ces problèmes en réunissant plusieurs compétences en sciences des matériaux : nanochimie, métallurgie des nanopoudres, magnétisme et modélisation des systèmes confinés. Une quantité significative de matière ainsi qu’un prototype de moteur seront produits afin de caractériser dans un environnement réaliste la tenue en température des propriétés de ces nouveaux aimants, dont les performances attendues seraient proches des dispositifs actuels dans une plus large gamme de température de travail.

Les terres rares sont aujourd’hui indispensables aux technologies de pointe et à la croissance verte mais le fort développement de ces domaines fait exploser la demande de ces éléments. De façon dommageable pour l’Europe la chine contrôle quasi totalement leur production. Avant d’envisager une substitution de ces métaux il est indispensable pour abaisser rapidement les tensions de ce marché d’envisager le recyclage à partir des déchets industriels. Ces déchets contenant ces terres rares font maintenant l’objet d’une nouvelle politique d’exploitation et sont décrits comme des « mines urbaines ». Ce recyclage à partir de ces déchets est déjà exploité en France à une échelle industrielle (Rhodia, Solvay) avec des procédés mécaniques et physiques de retraitement finalisés (après une dissolution en milieu acide) par une extraction liquide-liquide. L’ICMMO et l’IRAMIS proposent ici un procédé innovant pouvant intervenir dans cette filière de recyclage. Il s’agit de compléter et/ou de se substituer à la technologie liquide-liquide habituelle de l’extraction de ces métaux avec une technologie solide-liquide de bien plus grande simplicité et pouvant même après évaluation être de meilleure efficacité. Le principe de la transition entre les deux technologies peut se présenter simplement. Il existe des matériaux moléculaires capables avec une grande spécificité de complexer des ions métalliques. Dans une extraction liquide-liquide ces matériaux sont dispersés et échangés entre des phases liquides et la séparation finale reste complexe et multi-étagées. La possibilité tout compte fait encore récente d’immobiliser ces mêmes matériaux sur des surfaces solides permet alors de capter sur ces surfaces les ions cibles dont la séparation avec le liquide sera alors bien plus simple. Aux aspects économiques évoqués au-dessus et qui représentent déjà une composante importante du problème, des aspects environnementaux et maintenant de santé publique viennent s’y ajouter. Au même titre que les risques encourus avec les métaux lourds déjà bien connus comme le cuivre, le nickel et surtout maintenant le Chrome hexavalent la toxicité des terres rares qui était encore récemment ignoré viendrait rejoindre la liste des métaux déjà soumis à réglementation. Il devient alors vraiment critique de préparer de nouvelles solutions techniques de gestion de ces éléments. Les deux laboratoires associés ont une l’expérience commune récente de ce saut technologique de l’extraction/concentration sur des effluents contenant du césium (applications filière nucléaire). Plus anciennement encore l’IRAMIS a acquis une expérience dans le retraitement d’effluents liquides industriels des filières du traitement de surface (Cu, Zn, Ni). Il s’agirait dans ce programme de s’appuyer sur ces expériences passées et de faire bénéficier à la problématique du recyclage des terres-rares de cette expertise. L’ambition de ce programme est d’obtenir avec le recyclage des terres rares un niveau de démonstration à l’échelle du laboratoire (TRL 3-4) qui permettrait d’être suffisamment pertinent pour lancer des programmes visant à une plus forte maturité technologique (TRL 5-6). A l’issu de ce programme conçu pour « stimuler le renouveau industriel » une stratégie de valorisation est d’ores et déjà envisagée. Des partenariats avec des industriels et des acteurs publics se mettent en place et la création d’une entreprise est aussi envisagée.

De par leurs propriétés optiques remarquables, les nanoparticules de métaux nobles sont utilisées dans une large gamme d’applications allant de la spectroscopie Raman exaltée en surface (SERS), à la détection et adressage de biomolécules, ou encore à la thérapie contre le cancer et l’absorption plasmonique dans les cellules solaires. -- D’un point de vue fondamental, la description et la compréhension physique de la transition entre les excitations de type moléculaire et l'excitation collective pour un système métallique représente une « terra incognita » car seulement récemment des expériences ont pu être réalisées pour caractériser les spectres d’absorption de nanoparticules individuelles et la théorie permet de calculer de façon quantique, et pour des tailles comparables à l’expérience, ces spectres. -- Auparavant, seul les très petits agrégats ou bien les « très gros » avaient pu être traités. Les agrégats de quelques atomes sont formés expérimentalement dans des faisceaux puis triés en masse de façon à obtenir des spectres de nanoparticules individuelles et les méthodes de chimie quantiques sophistiquées peuvent être utilisées pour calculer les spectres. Pour les « gros » agrégats, en particulier ceux connus en plasmonique grâce à leur résonnance plasmon de surface localisée (LSPR), les théories thermodynamiques classiques peuvent s’appliquer et il existe différentes approches pour les fabriquer. Cependant, l’élargissement de la largeur du pic de résonnance dû à la distribution en tailles dans les échantillons observés représente un obstacle majeur pour la détermination des caractéristiques spectrales individuelles influencées par les effets de confinement quantiques, ou même pour la détermination précise de la largeur de la raie plasmonique. Ce n’est que récemment que des expériences sur des particules uniques ont été réalisées, basées sur des mesures optiques ou de perte d’énergie des électrons. Une autre voie consiste à élaborer des échantillons ultra-homogènes à l’aide de ligands, montrant une grande richesse dans la structure du spectre. -- Cependant, un grand nombre de questions restent ouvertes dans la description théorique basée sur la théorie de la fonctionnelle de la densité dépendante du temps (TDDFT). Quelles sont les approximations des effets d’échange et corrélation utilisées pour ces gammes de taille ? Dans quelles situations le couplage spin-orbite devient-il important ? Quels sont les paramètres précis qui déterminent la largeur des pics d’absorption ? Enfin, comment les spectres sont-ils influencés par la matrice ou le substrat ou leur état d’oxydation ? -- Dans ce projet nous combinons des mesures de spectroscopie de perte d’électrons (EELS) réalisées sur des particules uniques avec des mesures optiques, le tout confronté à des calculs atomistiques « states-of-the-art » de TDDFT. Ces derniers seront comparés à des théories simplifiées mais dont l’avantage est de couvrir une large gamme de taille. Notre étude produira une meilleure compréhension physique du passage d’un régime de transitions moléculaires à un régime collectif d’oscillations. Pour Au, Ag et leur alliages, nous effectuerons des calculs TDDFT, pouvant être constamment confrontés aux expériences, ce qui conduira à l’optimisation des deux approches. Outre les améliorations attendues au niveau des subtilités de l’approche théorique, le projet fournira des connaissances pertinentes sur la façon de contrôler les propriétés de matériaux fonctionnels à base de nanoparticules. En raison de cette montée en puissance de l'ingénierie des nanomatériaux, notre projet ambitieux, de grande portée scientifique, et technologiquement pertinent devrait s’insérer naturellement dans les domaines économiques et technologiques englobés dans l’axe « Nanomatériaux pour la biologie et la santé », mais aussi pour des applications dans le domaine de l’énergie et de la chimie.

Dans une démarche pluridisciplinaire associant nanotechnologie, nanochimie et nanofluidique, nous proposons de fabriquer et d’étudier des filtres actifs, sélectifs et adaptatifs pour les protéines, les acides nucléiques et les polymères hydro-solubles en imitant la structure et le fonctionnement des pores nucléaires. Nous greffons pour cela des copolymères de degré d’hydrophilicité varié à la surface de nanopores de polycarbonate ou de nitrure de silicium percés dans des membranes ultraminces par un faisceau d’ions focalisé. Les chaînes greffées forment une brosse semi-diluée de polymères qui remplissent le pore. Ce réseau aléatoire agit comme une barrière stérique envers de grosses macromolécules passant dans le pore à moins que des interactions attractives adéquates ne s’établissent entre la brosse et les macromolécules. Le profil d’hydrophilicité de la brosse contrôle la compatibilité avec les macromolécules ou les nanoparticules que l’on souhaite sélectionner et assure la sélectivité des pores. Nous prévoyons de synthétiser différents systèmes et de comparer leurs propriétés : 1) des nucléoporines natives (FG (phénylalanine-Glycine) Nups) telles qu’on les trouve dans les pores nucléaires biologiques, 2) des copolymères double-hydrophiles synthétiques (dérivés de différents monomères d’oxazoline d’hydrophobie variée) greffés à la surface des pores par des extrémités réactives ou polymerises à partir de la surface, 3) des polymères et des copolymères greffés sélectivement à l’intérieur des pores par des ancres diazonium en utilisant un microscope électrochimique à balayage. Les propriétés de filtration, de transport et de commutation de ces nanopores chevelus seront déterminées et étudiées à l’échelle d’un pore unique et d’une molécule unique par des techniques optiques, hydrodynamique, électrique et électrochimique en confrontant les résultats expérimentaux avec des théories récentes. La détection optique que nous utilisons est nouvelle. Son principe repose sur le dépôt d’une mince couche d’or sur les pores et sur leur éclairement en lumière visible dans le régime non propagatif où la longueur d’onde de la lumière est plus grande que le diamètre des pore et où une onde lumineuse évanescente est localisée à l’entrée des pores. Des macromolécules marquées pour la fluorescence, entrant ou sortant du pore, émettent une lumière de fluorescence excitée par l’onde évanescente et sont visualisées en temps réel. Nos dispositifs électriques et optiques seront munis d’un contrôle de pression très sensible et nous pourrons effectuer des expériences de filtration sous écoulement à l’échelle d’une molécule unique. Nous étudierons la cinétique de transport (à l’échelle de la milliseconde avec la détection optique et à l’échelle de la microseconde avec la détection électrique) des macromolécules et des colloïdes étudiés d’hydrophobie croissante ainsi que les interactions avec la surface des pores et la couche de polymères greffés. Notre but est de définir les meilleures conditions pour obtenir le transport rapide et peu perturbé d’un type donné de macromolécules et de nanoparticules. Nous testerons l’utilisation de ces particules furtives comme vecteurs d’autres charges macromoléculaires. Des gradients de concentration en transporteurs seront réalisés pour créer un transport directionnel. Des expériences de transport actif seront aussi réalisées en utilisant des forces d’entraînement électriques et électrochimiques. Les mesures microscopiques seront corrélées à des mesures macroscopiques de perméation et de filtration. Des estimations réalistes de la sélectivité des pores et du débit montrent que des membranes microfabriquées supportant des réseaux de pores pourrait être utile et rentable pour la séparation et la production de macromolécules à haute valeur ajoutée comme les protéines recombinantes, ce qui justifie notre participation à cet appel à projets.

La tuberculose (TB) reste encore aujourd’hui une menace sérieuse pour la santé humaine provoquant des millions de décès chaque année. Pratiquement 90% des cas de TB sont des infections pulmonaires hautement contagieuses, à haut risque pour les familles des malades et pour le personnel soignant. L'agent causal de la TB est Mycobacterium tuberculosis (Mtb) qui est capable de survivre et de se reproduire dans les macrophages alvéolaires, malgré leur environnement interne hostile. Comme les traitements anti-TB font appel à des molécules actives qui pénètrent peu dans les macrophages, notre projet consiste à développer des nanoparticules chargées en molécules actives et capables de cibler les macrophages alvéolaires infectés. L’équipe de l’Institut Pasteur de Lille (IPL) a récemment découvert que l’association de l’éthionamide (ETH) avec des potentiateurs nommés «boosters» permettait l’administration de ce médicament anti-TB à des doses moins toxiques. L’association ETH/booster intéresse fortement un consortium d’industriels (TB-Alliance, GSK, Bioversis AG) qui ont signé des accords de collaboration avec IPL. La co-administration de ces molécules est particulièrement délicate en raison de leurs propriétés (solubilités, biodisponibilité, biodistribution, etc) très différentes. Dans ce contexte, ANTI-TB-NANO propose la co-encapsulation du couple ETH/booster dans des vecteurs nanoparticulaires élaborés à base de cyclodextrines. En effet, nos études préliminaires montrent clairement l’affinité de ce type de vecteurs pour ETH et les boosters et leur efficacité in vitro et in vivo pour réduire la charge de Mtb. Les cinq équipes composant ANTI-TB-NANO combineront leur expertise afin d'élaborer des nanoparticules co-encapsulant les molécules actives, modifier leur surface, puis évaluer leur efficacité in vitro et in vivo. Le couple ETH/booster sera encapsulé selon une méthode « verte » (sans solvant, sans tensioactif). Dans une approche biomimétique, la surface des vecteurs sera modifiée avec des lipides et des ligands spécifiques afin de pouvoir atteindre les bacilles dans leur niches intracellulaires. Les nanoparticules seront administrées par aérosolisation dans les poumons, afin d'obtenir des concentrations élevées de molécules actives dans cet organe cible, augmenter l'efficacité du traitement, réduire le risque d’émergence de phénomènes de résistance, augmenter l'éradication du Mtb, et enfin, permettre une évolution rapide vers la guérison avec une diminution des effets secondaires du traitement. Une autre innovation majeure du projet consistera en l'utilisation pour la première fois de techniques de criblage haut débit haut contenu pour évaluer le devenir des bactéries et des formulations nanoparticulaires à l'intérieur des macrophages infectés maintenus en culture. Cela devrait permettre d'obtenir des informations essentielles sur l'efficacité antibactérienne des formulations, le mécanisme de pénétration intracellulaire des vecteurs, ainsi que leur localisation sub-cellulaire et leur toxicité. Finalement, les formulations les plus prometteuses seront testées in vivo (modèle de souris infectée). L'efficacité de traitement sera établie par comptage des bactéries dans les tissus pulmonaires. La tolérance, les réponses immunologiques et toxicologiques seront étudiées en détail par l'institut Pasteur de Lille et de Paris. Notre stratégie pourra être extrapolée à d’autres molécules anti-TB (isoniazide, rifampicine, pyrazinamide, ethambutol, fluoroquinolones). Le traitement optimisé des médicaments anti-TB pourrait ouvrir de nouvelles perspectives de traitement, accroître l'efficacité des médicaments, détruire les bactéries latentes, ce qui en retour devrait réduire les risques d'apparition de résistances. De plus, notre approche devrait permettre de réduire les doses administrées afin d'améliorer l'observance des patients et de réduire la toxicité du traitement.

Après la découverte du graphène en 2004, et ses conséquences dans le domaine des nanosciences et nanomatériaux, il est apparu un intérêt croissant pour les matériaux 2D et leurs hétérostructures. On peut s’attendre à un impact technologique équivalent à celui provoqué dans les années 80 par l’introduction des hétérostructures de semiconducteurs. Le projet GoBN entre dans ce cadre et se concentre sur les hétérostructures de graphene (Gr) et de nitrure de bore hexagonal (BN), combinaison qui présente un grand intérêt pour l’électronique et l’optoélectronique. En effet les deux matériaux sont mutuellement compatibles avec un même réseau en nid d’abeille et fonctionnellement complémentaires. Le premier, appelé graphène noir, est conducteur comme le graphite; le second est un semi-conducteur grand gap transparent dans le visible, appelé graphène blanc. Il a été montré récemment, par des mesures sur des échantillons exfoliés, que les propriétés de transport du graphène déposé sur BN pouvaient s’approcher des limites intrinsèques du Gr. Le projet GoBN vise à développer et maîtriser la synthèse de films minces de BN de grande qualité pour servir de substrat pour le dépôt et/ou la croissance épitaxiale de graphène haute mobilité, de diélectrique à faibles pertes pour les dispositifs Gr à effet de champ (FET), de diélectrique ultrafin sur grilles locales pour des dispositifs Gr bipolaires à effet Tunnel de Klein (transistors et photodétecteurs micro-onde) et, dans la version ultime où l’épaisseur atteint quelques couches atomiques, de barrière tunnel pour des diodes Gr à effet tunnel vertical. La plupart de ces applications n’ont pas été développées, et certaines non démontrées, notamment faute de matériau BN de qualité suffisante. Le but du projet GoBN est triple. Le premier vise à développer des voies de synthèse de films BN pouvant servir de support au graphène à une échelle centimétrique. Le second vise à montrer, sur des dispositifs individuels, les possibilités de rupture offertes par les structures Gr sur BN en électronique rapide et en optique, singulièrement les empilements sur des grilles locales qui donnent accès à une électronique de graphène balistique sur le principe d’optique des Fermions de Dirac. Dans une architecture plus classique à effet de champ, la technologie GoBN vise à repousser les limites en fréquence vers le domaine des THz. Le troisième but vise à prouver l’intégrabilité du procédé GoBN à l’échelle de 10mm en utilisant les films minces développés en parallèle et à étalonner les performances obtenues par comparaison à celles des dispositifs individuels. Le projet aborde la croissance de films de BN sous deux angles indépendants : le premier est celui du dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur métal qui sera poussé à un haut niveau de contrôle, le rendant compatible avec les applications envisagées. Le second est une approche chimique originale de céramisation de dérivés polymères (PDC) qui a été récemment adaptée pour la synthèse de films fins. Les qualités des deux types de films seront comparées au moyen d’une palette de techniques d’imagerie et de spectroscopies haute-résolution, elles même étalonnées sur des cristaux massifs ou exfoliés de grande pureté. Le couplage des excitons aux défauts structuraux, sera examiné en détail et exploité comme moyen de caractérisation spectroscopique à l’instar de la spectroscopie Raman pour le graphène. Les meilleurs films seront transférés et intégrés dans des dispositifs graphène électroniques et optiques puis testés afin de réaliser le troisième but du projet. GoBN aborde aussi la croissance épitaxiale de graphène sur BN par la méthode CVD. Il s’agit d’une approche émergeante prometteuse en termes de mobilité de graphène mais aussi de fonctionnalité nouvelles liées à la physique encore peu explorée du bicouche Gr-BN ainsi synthétisé, mais qui pourra être étudiée grâce à la palette de moyens réunis dans GoBN.

La compréhension rationnelle et la prédiction des phénomènes chimiques se produisant aux interfaces solide-liquide (SLI, plus particulièrement interface oxyde-eau) de catalyseurs supportés sur alumine représentent un double défi à vocation industrielle dans les domaines de la préparation des catalyseurs et du fonctionnement des catalyseurs en milieu aqueux tels que la conversion de la biomasse ou la synthèse Fischer-Tropsch (FT). De plus, de nombreux procédés catalytiques en raffinage et pétrochimie (dont ceux pré-cités) mettent en jeu l’alumine-gamma comme support industriel. Concernant la phase active, le cobalt est un élément central dans les catalyseurs FT et d’hydrotraitement (HDT). Dans les deux cas, l’amélioration des étapes d’imprégnation et de séchage en présence de molécules organiques oxygénées (additifs) est cruciale pour maximiser le nombre de sites actifs de cobalt métallique accessibles et minimiser le nombre d’atomes de cobalt perdus soit dans une phase oxyde réfractaire, soit dans le support. Le projet SLIMCAT a pour objectif de déterminer les descripteurs moléculaires clefs pour les propriétés interfaciales alumine/eau : pKa des sites hydroxyles, descripteurs structuraux - énergétiques - spectroscopiques, échelle d’interactions des précurseurs de cobalt/additifs/alumine, mécanismes moléculaires (incluant l’étape de séchage)… Il est important de souligner que les molécules oxygénées choisies (polyols, éthers, acides carboxyliques) sont représentatives des additifs présents lors des étapes de préparation du catalyseur mais sont aussi représentatives des fonctions chimiques de molécules oxygénées dérivées de la biomasse présentes dans le milieu réactionnel. A cette fin, nous proposons une approche pluridisciplinaire et ascendante (dite « bottom up ») combinant des caractérisations avancées (zetamétrie par potentiel d’écoulement, SHG, EXAFS, AFM, UV-vis, ATR-IR, calorimétrie) et des techniques de dynamique moléculaire ab initio (AIMD) grâce à l’expertise reconnue de 4 laboratoires académiques (IRCP, ICGM, LRS, LAMBE) et un établissement EPIC (IFP Energies nouvelles). Le projet présente 3 tâches principales (« work package (WP) ») combinant travaux expérimentaux et théoriques. La tâche 1 (WP1) est dédiée à une approche science des surfaces (utilisant des surfaces idéales de monocristaux d’alumine-alpha) en milieu aqueux (contenant les additifs et précurseurs de Cobalt). Le WP2 se focalise sur des études aux interfaces de catalyseurs au cobalt supporté sur alumine-gamma avec une attention particulière portée sur les effets des paramètres de préparation. Le WP3 étudie les conséquences du séchage sur les échantillons et catalyseurs préparés selon WP1 et WP2. Une 4ème tâche (WP4) est dédiée à la dissémination des résultats et à l’organisation d’un « workshop » scientifique international sur le thème des comportements moléculaires aux interfaces solide-liquide. Afin d’améliorer la conception des catalyseurs futurs, nous avons pour ambition de fournir des guides innovants et rationnels s’appuyant sur la quantification revisitée de l’acido-basicité de l’alumine en milieu aqueux, la spéciation du cobalt en surface de l’alumine, le rôle et le choix de molécules oxygénées orientant la spéciation du cobalt et la stabilité de l’alumine, les paramètres optimisés de préparation (séquences imprégnation/séchage en présence d’additifs). Au regard des aspects applicatifs de préparation des catalyseurs contenant du cobalt (FT et HDT), SLIMCAT est en adéquation avec le défi sociétal de l’ANR « Stimuler le renouveau industriel ». De plus, le projet répond aussi pour une part, certes plus modeste, au second défi sociétal « Energie propre, sure et efficace » au regard notamment des aspects liés à la stabilité et aux propriétés acido-basiques des alumines en présence d’eau et de molécules oxygénées, situation rencontrée en conversion de biomasse.

Assurer la disponibilité d'un métal afin de croitre est un processus microbien vital, particulièrement critique lorsque la source devient rare comme à l'intérieur d'un hôte. Nous présentons ici un projet dédié à l'étude d'un opéron prédit pour coder les différentes fonctions permettant la synthèse, l'export et la récupération d'un nouveau métallophore bactérien analogue à nicotianamine des plantes. Des études préliminaires indiquent que ce système est fonctionnel, qu’il permet l’import de nickel et de cobalt et que les transporteurs prédits sont importants pour la virulence de S. aureus. En combinant des approches de biochimie, de génétique et de métabolomique nous déterminerons la structure de ce métallophore chez S. aureus et P. aeruginosa, étudierons les mécanismes et la régulation de ce système, définirons les bases biochimiques et structurales de la machinerie de biosynthèse et enfin déterminerons l'importance de la synthèse de ce métallophore dans la virulence de ces bactéries.

L'expression des gènes dépend non seulement de leur transcription dans le noyau, mais aussi d'événements post-transcriptionnels dans le cytoplasme : dégradation des ARNm, stockage des ARNm et traduction. Ceux-ci dépendent des protéines qui sont liées aux ARNm et de leur organisation en complexes, parfois associés à des localisations particulières dans des granules ribonucléoprotéiques découverts récemment, comme les P-bodies. Ces granules, dépourvus de membrane, contiennent des milliers d'ARNm associés à des complexes protéiques (RNP). D'après leurs composants, les P-bodies jouent un rôle dans la dégradation des ARNm, la répression de la traduction et l'interférence ARN. Pourtant, ils ne semblent pas nécessaires pour ces processus, et le rôle de cette compartimentation en granules reste flou. Néanmoins, ils sont présents chez tous les eucaryotes, animaux et végétaux, des Trypanosomes aux mammifères. Ce projet propose d'aborder la question en déterminant la composition des P-bodies, leur architecture et leur mécanisme d'assemblage. Les P-bodies et leurs composants seront étudiés en utilisant des stratégies multi-échelles, grâce à la participation de quatre partenaires d'expertise distincte et complémentaire. La coordinatrice, Dominique Weil, étudiera les P-bodies dans leur contexte cellulaire, en utilisant des approches de biochimie, de protéomique et de transcriptomique. Eric Deprez se focalisera sur une protéine essentielle à l'assemblage des P-bodies, et étudiera la conformation des complexes qu'elle forme in vitro et in vivo avec l'ARN, par des techniques de biophotonique. Philippe Andrey générera un modèle mathématique des P-bodies, basé sur des données expérimentales de microscopie électronique obtenues par Gérard Pierron. Une partie du projet vise à caractériser les RNP présents dans les P-bodies. La protéine à DEAD-box Rck/p54 étant essentielle pour l'assemblage des P-bodies chez les mammifères, il s'agira de caractériser ses protéines associées, pour savoir comment elle se distribue entre complexes de dégradation, de répression de la traduction, d'interférence ARN, ou autres. Nous déterminerons aussi l'importance de ces protéines pour l'assemblage des P-bodies. D'autre part, les P-bodies seront purifiés pour identifier leurs composants protéiques et ARN. Ils pourraient contenir tous les types de complexe Rck/p54 ou certains seulement, et éventuellement de nouveaux composants. Et nous saurons enfin si le ciblage des ARN dans les P-bodies est sélectif ou pas. Une autre partie du projet consistera à caractériser les complexes [Rck/p54 – RNA] in vitro et in vivo. La liaison de Rck/p54 aux ARN défait leurs structures secondaires in vitro (unfolding). Cette conformation relaxée pourrait jouer un rôle central dans l'architecture des P-bodies. De plus, Rck/p54 tend à former des oligomères, ce qui pourrait aussi participer à l'assemblage des granules. Nous déterminerons le statut oligomérique de la protéine quand elle est liée à l'ARN, et nous étudierons son activité de "unfolding", seule ou en présence de ses partenaires principaux. La dernière partie du projet est de chercher à comprendre l'architecture des P-bodies en modélisant un P-body avec de l'ARN et des protéines comme briques élémentaires, et en tenant compte des résultats obtenus ci-dessus. Le modèle in silico sera ajusté en utilisant des images de microscopie électronique des P-bodies dans leur contexte cellulaire, et des outils d'analyse statistique spatiale adaptés ou créés pour cette étude. Cette étude devrait apporter de nouvelles connaissances sur l'architecture et la fonction des P-bodies, notamment sur leur contenu en ARN. Ceci est intéressant non seulement pour les P-bodies, mais aussi pour des granules apparentés présents dans des conditions particulières (granules de stress) ou dans des cellules particulières (cellules germinales, neurones).

Les pathogènes bactériens intracellulaires infectent leurs hôtes et échappent à la destruction en injectant de nombreuses protéines, appelées collectivement effecteurs, qui détournent des mécanismes cellulaires à leur profit. Le trafic membranaire fait partie des cibles privilégiées de ces effecteurs, ce qui permet aux pathogènes d’échapper à la dégradation lysosomale en s’évadant des phagosomes ou en les convertissant en compartiments spécialisés où ils peuvent se multiplier. Comprendre les tactiques moléculaires utilisées par ces pathogènes pour pirater le trafic membranaire est de ce fait un enjeu important, susceptible d’inspirer de nouvelles approches thérapeutiques pour combattre les infections. Ce projet étudiera les mécanismes d’effecteurs qui manipulent le trafic membranaire chez Legionella et chez deux pathogènes phylogénétiquement apparentés, Coxiella et Rickettsia, par une approche interdisciplinaire combinant la reconstitution des effecteurs et de leurs cibles cellulaires dans des membranes artificielles, leur étude structurale en cristallisation classique et en phases lipidiques “in meso”, et la microbiologie cellulaire. Legionella pneumophila (Lp) est responsable de la maladie du Légionnaire, une pneumonie grave transmise par des systèmes de climatisation mal entretenus. Cette bactérie infecte les macrophages pulmonaires, où elle échappe à la destruction en se camouflant dans une vacuole dérivée du phagosome par l’incorporation de membranes du réticulum endoplasmique. Pour créer cette vacuole et y persister, Lp délivre plus de 280 effecteurs dans la cellule, dont certains ciblent le trafic membranaire de l’hôte. Une caractéristique remarquable de Lp est sa capacité à pirater des GTPases Arf et Rab, qui sont des organisateurs en chef du trafic membranaire chez leur hôte. Les mécanismes d’effecteurs de Lp qui modulent la localisation membranaire et l’activité de ces GTPases au moyen de modifications post-traductionnelles seront étudiés dans ce projet. Coxiella burnetti (Cb)est un organisme extrêmement résistant qui cause la fièvre Q, une maladie transmise aux humains par des aérosols provenant de sols contaminés ou du bétail. Cb détourne également le trafic cellulaire pour établir une organelle spécialisée, mais avec une stratégie très différente de celle de Lp. La vacuole de Cb dérive de la fusion du phagosome avec des vésicules lysosomales, établissant un environnement acide favorable à la réplication du pathogène. Un des aspects les plus frappants de la vacuole mature est sa capacité considérable à fusionner avec d’autres vacuoles pour établir une vacuole spacieuse qui contient toutes les bactéries intracellulaires. La structure et la fonction d’un nouvel effecteur de Cb qui manipule le processus d’autophagie pour favoriser les propriétés fusogéniques de la vacuole seront étudiés dans ce projet. Une fonction majeure des effecteurs bactériens qui manipulent le trafic membranaire est leur capacité à relocaliser les GTPases de l’hôte à des membranes illégitimes, et/ou à exclure ces GTPases de certaines membranes cellulaires. Les mécanismes sous-jacents dépendent de la reconnaissance de membranes spécifiques par ces effecteurs, qui leur permet d’acquérir leur conformation active. Visualiser dans le cristal ces interactions protéine-lipide et les changements de conformations régulateurs qui leur sont associés est extrêmement difficile. Nous explorerons une approche de cristallisation en phases cubiques lipidiques pour imiter l’interface membranaire dans les cristaux, qui sera appliquée à l’étude d’un effecteur de Lp et de Rickettsia prowazekii (la bactérie responsable du typhus épidémique) dont l’activité dépend strictement des membranes. Ces travaux aboutiront à une compréhension intégrée à haute résolution de mécanismes moléculaires d’effecteurs bactériens qui manipulent le trafic membranaire, ainsi qu’à de nouvelles méthodes pour la biologie structurale pour étudier leurs interactions avec les membranes.

Les transposons sont mobilisés par leur transposase, qui reconnaît spécifiquement des séquences en répétition inverse (TIR) aux extrémités du transposon à partir duquel elle est produite, et catalyse des réactions de coupure et de transfert de brins d’ADN. Des transposases domestiquées, qui ne sont plus codées par des éléments mobiles, ont été identifiées dans de nombreux génomes mais leur fonction demeure mal connue. L’exemple le mieux étudié est RAG1, qui initie la recombinaison des gènes d’immunoglobulines dans les lymphocytes, en coupant spécifiquement des séquences d’ADN homologues aux TIR de son transposon ancestral. D’autres exemples de réarrangements génomiques programmés (RGP) ont été décrits chez divers organismes et une hypothèse particulièrement séduisante pourrait être que ces réarrangements soient catalysés par des transposases domestiquées. La paramécie est un modèle extraordinaire pour étudier le rôle de transposases domestiquées dans les RGP. En effet, cet eucaryote unicellulaire cilié réarrange entièrement son génome somatique à chaque cycle sexuel. La paramécie abrite deux noyaux différents dans son cytoplasme. Le micronoyau diploïde (MIC) renferme le génome germinal transmis à la descendance à chaque cycle sexuel. Le macronoyau somatique (MAC), siège de l’expression des gènes, contient une version réarrangée du génome germinal. A chaque cycle sexuel, le MAC est détruit et un nouveau MAC se développe à partir d’une copie du MIC. Pendant le développement du MAC, deux types de séquences germinales sont éliminées : (i) l’élimination d’ADN répété est associée à la fragmentation des chromosomes, et (ii) environ 45 000 courtes séquences non codantes (IES, Internal Eliminated Sequences) sont excisées de façon précise pour reconstituer les phases ouvertes de lecture. L’excision des IES dépend de cassures double-brin introduites par PiggyMac (Pgm), une transposase domestiquée de la famille PiggyBac. La participation d’une transposase PiggyBac domestiquée dans les RGP chez la paramécie demeure un mystère, car les IES ne sont pas apparentées à des transposons piggyBac et ne portent pas de TIR reconnaissable de façon séquence-spécifique par Pgm. Notre objectif est de comprendre comment les coupures dépendantes de Pgm sont ciblées au niveau des bornes des IES. Nous savons que des ARN non-codants interviennent dans la comparaison globale des génomes MIC et MAC parentaux et guident les réarrangements dans le nouveau MAC, probablement via le dépôt de marques hétérochromatiniennes. Cependant, l’excision de seulement une partie des IES est soumise à ce contrôle épigénétique. Par ailleurs, nous avons découvert récemment neuf autres transposases domestiquées chez la paramécie, dont certaines, bien qu’apparemment inactives pour la coupure, sont essentielles pour l’excision des IES et interagissent avec Pgm in vitro. Dans ce projet, nous examinerons deux hypothèses non-exclusives qui pourraient expliquer comment Pgm reconnaît toutes les IES et les excise précisément : (i) Pgm pourrait s’associer avec des partenaires pour former différents complexes spécifiques de classes distinctes d’IES ; (ii) Pgm pourrait être guidée vers ses cibles grâce à la reconnaissance de modifications alternatives de la chromatine ou via des ARN « guides » qui restent à identifier. Notre projet pluridisciplinaire vise à (i) caractériser les partenaires de Pgm ; (ii) disséquer leur rôle dans l’excision des IES par des approches in vivo et in vitro combinées à des analyses génomiques à grande échelle ; et (iii) déterminer les bases structurales de l’interaction du (des) complexe(s) associé(s) à Pgm avec les histones modifiées. Notre réussite reposera sur la formation d’un consortium de quatre équipes possédant des expertises complémentaires en génétique moléculaire et cellulaire de la paramécie, en biochimie, dans l’analyse bioinformatique de données de séquençage à grande échelle et dans l’analyse structurale par RMN des interactions protéine-protéine.

La compréhension des mécanismes moléculaires contrôlant la forme et la taille des organes ou des organismes vivants est l’un des défis de la recherche en biologie du développement. Les plantes et plus particulièrement les feuilles représentent à cet égard un modèle d’étude particulièrement intéressant d’autant que ces organes chlorophylliens sont essentiels à la production de nourriture, de biomasse et d’énergie renouvelable. Les nouvelles feuilles sont formées de novo au cours de la croissance ou à chaque saison, à partir d’ilots cellulaires appelés méristèmes, maintenus grâce à l’activité de cellules souches. Les feuilles peuvent adopter une large variété de formes selon les espèces, la phase de développement ou l’influence de facteurs environnementaux. Les différentes de formes folaires proviennent essentiellement de différences de profils et de niveau de dissection allant de feuilles simples aux feuilles composées, des feuilles entières et lisses aux feuilles dentées, découpées ou lobées. Les marges de la feuille contribuent très largement à la croissance et à la forme des feuilles dans la mesure où elles sont à l’origine de la formation et la croissance des folioles ou des dents et contrôlent également l’ensemble de la croissance folaire. La croissance et le développement des feuilles résultent de la coordination dans le temps et dans l’espace des divisions cellulaires et de l’expansion cellulaire, laquelle chez les plantes peut atteindre chez certaines cellules plus de mille fois la taille des cellules issues du méristème. Parmi les régulateurs clés contrôlant la forme et la taille des feuilles, se trouvent des facteurs de transcription dont les gènes CUP-SHAPED COTYLEDON (CUC) et des gènes à homéodomaine de la famille des KNOTTED-like (KNOXI). De plus, la phytophormone auxine est un régulateur essentiel de la croissance et du développement, intervenant en particulier dans la régulation et la coordination de la division cellulaire et de l’expansion. Les mécanismes de signalisation de l’auxine font intervenir un ensemble complexe de co-récepteurs de forte à faible affinités pour l’auxine et un réseau modulaire non moins complexe de répresseurs et d’activateurs transcriptionnels contrôlant finement l’expression de nombreux de gènes. Le projet SERRATIONS s’appuie sur des données récentes concernant des facteurs de transcription clés pour la régulation de la morphogenèse des feuilles ainsi que sur l’avancée des connaissances des mécanismes généraux de signalisation de la phytohormone auxine, laquelle joue un rôle majeur dans le contrôle de ces processus. Le projet vise à identifier les modules de signalisation de l’auxine impliqués dans la morphogenèse des feuilles et à intégrer ces données dans un modèle mathématique aidant à conceptualiser puis à tester les mécanismes fins de régulation de la taille et de la forme des feuilles.

Des avancées récentes dans l’étiologie de l’obésité et du diabète de type 2 (T2D) ont montré l’implication du système immunitaire. Des données convergentes récentes mettent en lumière le rôle des lymphocytes T innés, comme les cellules NKT et MAIT (Mucosal Associated Invariant T), qui représentent une première ligne de lymphocytes T répondeurs contrôlant le devenir des réponses immunes. L’identification du rôle potentiel de la flore bactérienne dans l’obésité nous a conduit à analyser l’existence d’un lien entre les MAIT, préférentiellement localisés dans la muqueuse intestinale, et l’obésité et les anomalies métaboliques associées. Le but de notre projet est de déterminer le rôle des MAIT dans le développement de l’obésité à l’aide d’échantillons humains et de modèles animaux. Nos données préliminaires révèlent des anomalies des lymphocytes MAIT chez les patients diabétiques et/ou obèses. Comparés aux sujets contrôles les patients obèses présentent une forte réduction de la fréquence de MAIT circulants (0,06% parmi les lymphocytes T du sang vs 1,82% chez les contrôles). Singulièrement, chez les patients T2D obèses, les MAIT sont plus activés: expression accrue de CD25 et jusqu’à 20% de ces lymphocytes produisent de l’IL-17. Ces observations nous conduisent à proposer que dans l’obésité et le T2D associé à l’obésité, il y a une forte activation des MAIT, probablement dans le tissu adipeux et la muqueuse intestinale, avec une migration facilitée dans ces tissus, expliquant leur diminution en nombre dans le sang. Nos données préliminaires soutiennent cette hypothèse, car les MAIT sont plus abondants dans le tissu adipeux des patients obèses par rapport au sang et dans ce tissu jusqu’à 90% de ces lymphocytes produisent de l’IL-17. En ce qui concerne l’intestin, les MAIT sont plus abondants chez les patients obèses que dans les sujets contrôles. Après chirurgie bariatrique, connue pour améliorer le métabolisme et l’état inflammatoire des patients, la fréquence des MAIT circulants se rapproche de celle des sujets contrôles avec une diminution de la production de cytokines inflammatoires. Nous observons également une association inverse entre l’index de masse corporelle et la fréquence de MAIT circulants. Ces données humaines sont corroborées par l’activation des MAIT dans le tissu adipeux de souris en régime gras. Basés sur ces résultats préliminaires, nos objectifs sont 1) analyser le phénotype et la fonction des MAIT dans l’obésité et le diabète chez l’homme, 2) déterminer in vivo la fonction des MAIT dans l’obésité à l’aide de modèles animaux, 3) analyser l’activation des MAIT dans l’intestin et l’influence du microbiota, 4) développer des modèles d’intégration des données cliniques, et immunitaires pour déterminer le lien entre les MAIT et l’obésité. Pour la tâche 1, nous complèterons chez les patients l’analyse des MAIT et particulièrement leur activation dans le tissu adipeux. Pour les tâches 2 et 3, nous avons développé des modèles murins pour étudier les MAIT. Ces cellules seront purifiées à partir de souris TCR transgéniques (Valpha19) et injectées dans des souris nourries par un régime gras ou non. Nous analyserons le recrutement et l’activation des MAIT dans les différents tissus et l’impact sur la prise de poids et les paramètres métaboliques. Des souris déficientes en MAIT seront également étudiées en parallèle. Nos résultats préliminaires démontrent la faisabilité des différentes approches. Dans la tâche 3, nous analyserons l’intestin des patients et des souris obèses. En particulier, les MAIT, les cellules dendritiques et le microbiote (le métagénome bactérien) seront analysés dans les mêmes individus pour déterminer le lien entre ces paramètres et les phénotypes d’obésité. Dans la dernière tâche, nous réaliserons une analyse intégrée de toutes les données pour déterminer si les MAIT représentent une cible thérapeutique ou un biomarqueur dans l’obésité.

Les cellules MAIT (Mucosa-Associated Invariant T) sont des lymphocytes T à fonction innée qui expriment un récepteur T invariant, sont préférentiellement localisées dans les muqueuses, et répondent à une stimulation microbienne par la production rapide de cytokines et d’effecteurs cytotoxiques. Les MAIT reconnaissent la molécule d’histocompatibilité non classique MR1 qui leur présente une nouvelle classe d’antigènes: des précurseurs de la Riboflavine (Rib, vitamine B2), présents dans la plupart des bactéries et des levures. Les MAIT ont un effet protecteur dans des modèles expérimentaux d’infection, et sont en nombre réduit dans le sang de patients présentant une infection bactérienne sévère du fait de leur recrutement sur les sites infectieux. A l’heure actuelle, on ne connaît quasiment rien de l’ontogénie des MAIT chez l’homme, car il est difficile de suivre leur développement de manière longitudinale. Seules les étapes initiales (sang de cordon) et finales (sang de sujets adultes) de leur programme de maturation ont été caractérisées. De plus, il n’existe aucune donnée chez l’homme sur les relations entre ‘expansion et la maturation des MAIT, et le développement du microbiote intestinal. Etant donnée l’importance des MAIT pour la protection contre les infections microbiennes au niveau des épithéliums, nous proposons d’étudier leur cinétique de développement et de maturation, parallèlement à la diversité et à la fonction du microbiote intestinal, dans deux situations cliniques caractérisés par une prédisposition élevée aux infections bactériennes et fungiques en absence d’immunité adaptative protectrice ; la période néonatale et la période de reconstitution immunitaire précoce après allogreffe de cellules souches hématopoïétiques (CSH) chez l’enfant. Notre étude combinera la caractérisation phénotypique et fonctionnelle multiparamétrique des MAIT et l’utilisation de nouvelles méthodes d’analyse moléculaire du microbiote (séquençage haut débit, métagénomique, et microbiologie des métabolites Rib). Notre projet a quatre objectifs principaux: 1/ Déterminer le taux et la cinétique d’expansion et de maturation des MAIT chez les nouveau-nés selon l’âge gestationnel, et chez les receveurs de greffe selon la source de CSH, 2/ Corréler la diversité et la fonction (disponibilité en métabolites Rib) du microbiote intestinal avec la maturation et la fonction des MAIT chez les nouveau-nés et les receveurs de greffe de CSH, 3/ Établir un lien entre les MAIT, la composition du microbiote intestinal, et les infections microbiennes ou la survenue d’évènements en rapport avec une inflammation intestinale sévère chez les nouveau-nés et les receveurs de greffe, 4/ Intégrer l’ensemble de ces données afin de définir un modèle d'interactions entre cellules MAIT, composition du microbiote intestinal, défense antimicrobienne et protection de la muqueuse intestinale. Notre consortium est composé de trois équipes de recherche indépendantes, expertes en immunité innée, écologie microbienne, et biologie des cellules MAIT, trois équipes cliniques indépendantes, permettant l’accès à de larges séries de patients bien caractérisés, et une équipe apportant l’aide méthodologique et statistique. Les interactions synergiques entre ces équipes garantissent une expertise unique indispensable à ce projet. Notre projet permettra de déterminer si la présence ou la fonction des MAIT sont influencées par le microbiote intestinal (disponibilité en ligands de MR1), ou vice-versa. L’objectif ultime est de déterminer si les interactions entre MAIT et microbiote intestinal sont impliquées dans le contrôle des infections ou inflammations intestinales sévères chez les enfants à risque, étape indispensable à l’identification ultérieure de biomarqueurs prédictifs de ces évènements graves.

L’hypertension artérielle pulmonaire (HTAP) est une maladie rare caractérisée par une augmentation chronique de la pression artérielle pulmonaire, conduisant à la défaillance cardiaque droite et à la mort. Il n’existe pas de traitement curatif de l’HTAP. En dépit des traitements qui améliorent la qualité de vie et la survie, la médiane de survie reste < 5ans et les cas réfractaires sont candidats à une transplantation pulmonaire. De nouvelles voies thérapeutiques sont donc nécessaires pour la prise en charge des patients. Dans l’HTAP, la défaillance cardiaque droite est secondaire au remodelage des petites artères pulmonaires, un processus complexe et multifactoriel. La dysfonction endothéliale et la prolifération incontrôlée des cellules musculaires lisses, ainsi que l’inflammation chronique jouent un rôle dans la pathogenèse de l’HTAP L’objectif de P1 est de comprendre la pathogenèse de l’HTAP et d’exploiter la connaissance de la maladie pour identifier des cibles thérapeutiques innovantes. Sur la base d’une biobanque de tissus pulmonaires collectés lors de la transplantation, avec une démarche hors des sentiers battus, P1 a récemment pointé le récepteur NMDA (NMDAR) comme nouvel acteur dans la physiopathologie de l’HTAP. Le NMDAR représente ainsi une cible thérapeutique inattendue, avec le concept innovant que la signalisation glutamatergique à travers le NMDAR puisse être impliquée dans les 3 tissus en cause dans l’HTAP: le cœur, le poumon, le système immunitaire. Ainsi de nouveaux composés qui cibleraient les NMDARs périphériques, sans effets centraux, seraient une valeur ajoutée dans le traitement de l’HTAP. A ce jour, la plupart des antagonistes des NMDARs qui ont atteint un développement clinique pour les maladies neurodégénératives (dizocilpine/MK 801 et mémantine) ne peuvent pas être utilisés en périphérie sans effets secondaires majeurs. Ainsi NUTS a émergé comme un projet pluridisciplinaire qui réunit 3 partenaires d’expertises complémentaires et appartenant au Laboratoire d’excellence LabEx LERMIT P1 (INSERM UMR_S 999), P2 (CNRS-UMR 8076 BioCIS), et P3 (CNRS-UMR 8536 CMLA), respectivement dans les champs de la Biologie/Médecine (pathophysiologie de l’HTAP), Chimie Médicinale (Conception et synthèse de molécules à visée thérapeutique) et Biologie Structurale, (Modélisation et simulation moléculaire). Les objectifs généraux de NUTS sont de comprendre le rôle du NMDAR comme nouveau paradigme dans la physiopathologie de l’HTAP, d’explorer son potentiel comme cible thérapeutique, et proposer une nouvelle classe thérapeutique dédiée aux NMDARs périphériques Les résultats préliminaires font la preuve de concept que les NMDARs sont impliqués dans l’HTAP, en utilisant des antagonistes du NMDAR connus comme MK-801 et mémantine afin de moduler les paramètres de la maladie dans un modèle de rat avec hypertension pulmonaire. Notre hypothèse de travail est qu’un événement inflammatoire précoce pourrait conduire à une libération excessive de glutamate à proximité des vaisseaux pulmonaires, induisant la suractivation des NMDARs des CE et l’apoptose, la désorganisation des jonctions serrées, l’ouverture de la barrière endothéliale, une angiogenèse incontrôlée, et enfin la prolifération des CE et CML conduisant au remodelage vasculaire. L’Unité CNRS UMR 8076, fondatrice de Biocis-molecules, a une longue expérience dans la conception de molécules thérapeutiques et l’Unité CNRS UMR 8536 est experte en modélisation moléculaire et mathématiques appliquées. L’équipe INSERM U999, possède des modèles expérimentaux in vitro et in vivo, pour explorer la physiopathologie de l’HTAP, avec la possibilité unique de travailler sur des tissus pulmonaires du Centre National de Reference. Cette approche multidisciplinaire pourrait conduire à un nouveau paradigme de la physiopathologie de l’HTAP et a l’ambition de proposer une voie thérapeutique innovante, avec une nouvelle classe de molécules qui ciblerait les 3 systèmes concernés dans l’HTAP

Les maladies inflammatoires chroniques de l'intestin (MICI) sont des troubles idiopathiques survenant dans le tractus gastro-intestinal (GIT). Elles ont un impact mondial affectant plusieurs millions de personnes. La prévalence et l'incidence des MICI ne cessent d’augmenter dans les pays développés et émergeants depuis les années 1950. Ainsi, les MICI représentent un défi médical majeur qui prend encore plus d'importance si l'on considère l'absence de traitement efficace contre cette pathologie et l’augmentation du nombre de patients résistants aux approches thérapeutiques disponibles. Le fardeau économique des MICI est évalué à 1 milliard de dollars par an dans les pays industrialisés. Par conséquent, la découverte de nouvelles voies thérapeutiques pour lutter contre les MICI constitue un défi majeur aux niveaux médical, sociétal et économique. Ces faits positionnent l’étiologie des MICI comme un front de science et la mise au point d’approches thérapeutiques efficaces comme prioritaire. L’analyse comparative de la composition du microbiote entre les individus sains et atteints de MICI a révélé un déséquilibre chez les patients. Bien que tous les traitements ciblent actuellement la réponse immunitaire, plusieurs études ont établi la surexpression de protéases humaines dans le tractus digestif de patients atteints de MICI. L’apport d'un inhibiteur de protéase à sérine humaine (l’élafine) protège les souris contre une inflammation induite chimiquement. Bien que cette stratégie constitue une approche thérapeutique prometteuse, plusieurs limites doivent encore être surmontées, notamment le spectre d'action étroit de l’élafine. SerpinGuTarget vise à explorer une voie thérapeutique contre les MICI en utilisant des inhibiteurs de protéases codés par le microbiote intestinal. Nous proposons une stratégie en trois étapes principales: o Etape 1: l’identification et caractérisation in vitro d’anti-protéases présentant une distribution différentielle entre individus sains et malades ; o Etape 2 : la preuve de concept in vivo de l'effet protecteur des protéines sélectionnées; o Etape 3 : la résolution de la/des structure/s protéiques et l’étude des relations structure-fonction des complexes entre les anti-protéases et leur cibles. Les retombées scientifiques majeures de SerpinGuTarget sont : o L’acquisition de connaissances concernant une famille protéique quasiment inexplorée ; o La première preuve de concept du potentiel thérapeutique des enzymes sélectionnées ; o De nouvelles connaissances structurales et mécanistiques permettant la conception de nouvelles enzymes dont le pouvoir inhibiteur est optimisé en termes de spectres d’action et d’efficacités.

La résistance aux antibiotiques est un risque biomédical réémergent très grave dégradant la qualité de vie et impactant nos économies. L'une des solutions la plus efficace pour lutter contre les résistances est d'identifier de nouvelles molécules interagissant avec de nouvelles cibles biologiques, mais il s'agit là d'un évènement rare. Cependant, c'est le cas de la tiacumicine B, un antibiotique naturel qui a reçu son AMM en 2011 aux USA pour le traitement de diarrhées nosocomiales associées à Clostridium difficile. La tiacumicine B inhibe l'ARN polymérase (ARNP) en interagissant avec la région « interrupteur » bloquant la synthèse de l'ARN et tuant ainsi les bactéries. La découverte de cette nouvelle cible est un évènement rare et important, car aucune résistance croisée avec d'autres agents antibactériens n'est possible. La structure de cette région « interrupteur » est conservée chez les espèces bactériennes mais est différente de celle des animaux supérieurs, ce qui autorise une grande sélectivité. En mars 2013, les premiers cas d’infections nosocomiales à C. difficile résistants aux antibiotiques survinrent en France ; Une quarantaine de personnes fut infectée dans un hôpital de Marseille et trois d'entre elles moururent. La tuberculose est une autre infection qui pourrait être traitée par la tiacumicine B, sans crainte de résistance croisée avec la ryfamicine ce qui est de prime importance depuis l’apparition de résistances. Seuls environ 40 analogues de la tiacumicin B sont connus à ce jour. Ils ont été obtenus par fermentation de précurseurs non naturels ou via des souches mutantes, approches qui conduisent seulement à des modifications structurelles limitées. Certains ont néanmoins d’intéressantes activités sur S. aureus et Enterococcus spp. Disposer d'un plus grand nombre d'analogues de la tiacumicine B serait donc très précieux vu le grand potentiel médicinal de cette nouvelle tête de file. Cela élargirait et rendrait plus fiable les études de relation structure-activité et permettrait d'exploiter cette précieuse nouvelle cible biologique. Mais, des modifications structurelles profondes imposent l'utilisation de la synthèse chimique, et la meilleure stratégie consiste à réaliser la synthèse totale du produit naturel lui-même pour ouvrir la voie aux analogues. C'est l'objectif premier du projet SynTia qui appellera un second projet lui dédié à la synthèse d'analogues. Ni la synthèse totale de la tiacumicine B ni même son étude n’ont été rapportées à ce jour, le projet SynTia mènera donc à la première synthèse totale de la tiacumicine B, ce qui constitue un beau et ambitieux défi. L'architecture fascinante des produits naturels a toujours été vue par les chimistes organiciens comme une puissante source d'inspiration stimulant continuellement le développement de nouvelles stratégies et de nouvelles méthodes en synthèse organique. La synthèse totale de la tiacumicine B correspond à des défis spécifiques appelant des solutions innovantes et de nouvelles stratégies afin de mettre au point une approche simple, fiable, élégante et utilisant une chimie plus verte. Entre autres, le motif de diénique C12-C15 a attiré notre attention. Les alcènes sont des motifs structuraux très fréquents, mais le contrôle de leur géométrie reste une tâche difficile. Nous avons imaginé construire ce motif par une stratégie basée sur le couplage croisé pallado-catalysé de 1,1-dichloro-1-alcènes, une approche sous-explorée bien que riche en potentiel. Une autre particularité structurelle de la tiacumicine B est son noyau aglycone lié à deux sucres (D-noviose et D-rhamnose) par deux liaisons glycosidiques de type 1,2-cis. Or, la synthèse de ce type d’anomère demeure un défi majeur en glycochimie. Par conséquent, pour avoir les meilleures chances de succès, le consortium du projet Syntia rassemble les compétences complémentaires de spécialistes reconnus en synthèse totale et en glycochimie ce qui représente une association rare et très prometteuse.

L’accident vasculaire cérébral (AVC) constitue la première cause de handicap chez l’adulte. Son incidence annuelle est de 100 à 300 / 100 000 habitants. Dans 60 % des cas, les patients conservent des séquelles sensitives et/ou motrices du membre supérieur. Il en résulte une perte d’autonomie dans l’ensemble des activités de la vie quotidienne telles que l’habillage, la toilette ou l’alimentation. L’amélioration des capacités de préhension constitue un enjeu majeur de la rééducation post-AVC avec un impact sociétal fort. Beaucoup de techniques permettent essentiellement une rééducation limitée au niveau du coude et de l’épaule sans une prise en compte satisfaisante de la préhension des objets et des informations renvoyées par ces derniers au niveau sensitif. Il s’avère nécessaire développer de nouvelles techniques de rééducation pour améliorer la récupération fonctionnelle motrice du membre supérieur chez les patients post-AVC. Quelques études récentes montrent que les tables interactives constituent des supports intéressants pour la rééducation et l’ergothérapie. Les environnements numériques supportés par ces tables interactives permettent d’offrir aux patients une gamme variée d’exercices qui contribue à l’augmentation spectaculaire de leur motivation, avec un impact fort sur leurs performances motrices. Les tables interactives permettent également l’interaction de l’univers numérique avec des objets réels et manipulables grâce à des codages qui permettent au système de connaître la nature de l’objet et son positionnement sur la table. Toutefois ces objets sont pour la plupart des objets abstraits (ex des cubes). Une avancée majeure consisterait à utiliser des objets réels issus de la vie quotidienne et de les doter d’une « peau tactile» permettant de capter les positions des doigts et les efforts exercés sur l’objet afin d’analyser finement et quantitativement les stratégies motrices des patients (positionnement des doigts et des efforts exercés sur l’objet) et de les prendre en compte dans les exercices de rééducation. Dans ce contexte, le projet Ergotact propose de concevoir, développer et tester des séquences de rééducation pour l’évaluation et la rééducation sur table interactive intégrant la manipulation naturelle d’objets réels dotés de capacités de mesure d’effort et de feedback. Le projet Ergotact propose de s’appuyer également sur l’utilisation des jeux sérieux qui ont pour objectif non seulement d’améliorer la motivation des patients , mais aussi de délivrer aux patients des retours (biofeedbacks) sous forme ludique concernant leurs performances ou en réponse à des mouvements non adaptés, ou erronés. Il s’agit ainsi de favoriser un apprentissage ou une reprogrammation des séquences des mouvements requises pour réaliser l’activité demandée. Les développements feront l’objet d’une évaluation clinique longitudinale par l’Hôpital Raymond Poincaré de Garches.

Dans un contexte de changement climatique et de tension sur les ressources naturelles, un défi en productions animales est de fournir de la nourriture à une population en augmentation, en respectant l’équilibre entre qualité des produits, sécurité du consommateur et bien-être animal. Dans la perspective de promouvoir des systèmes alimentaires sains et durables, réduire l’usage des antibiotiques en élevage est identifié comme un enjeu majeur dans les années à venir, afin de réduire les risques d’antibiorésistance. En effet, le transfert de gènes dans l’environnement et la chaine alimentaire peut favoriser le développement de bactéries résistantes aux traitements antibiotiques, susceptibles de causer des problèmes majeurs en santé publique comme en élevage. En élevage porcin, la période du sevrage est souvent accompagnée d’une perte de croissance due à une alimentation irrégulière et des diarrhées, qui pourraient être associées à un déséquilibre de la flore intestinale (dysbiose) et/ou à des infections intestinales opportunistes. Pendant cette période, afin de réduire les risques de morbidité et de mortalité, l’usage des antibiotiques est fréquent. De fait, réduire l’usage prophylactique des antibiotiques lors du sevrage est une question de tout premier ordre et l’identification d’alternatives une nécessité. Dans ce contexte, nous avons construit un partenariat public-privé qui rassemble des acteurs de l’INRA et des industriels de l’alimentation animale et de la sélection porcine. PigletBiota est un projet précompétitif qui cible l’étude des bases physiologiques et génétiques de la sensibilité au sevrage, pré-requis indispensable à l’identification de leviers pour adapter les animaux et les systèmes de production à une réduction de l’usage des antibiotiques. Le projet PigletBiota propose une approche de biologie intégrative pour identifier les principaux facteurs qui impactent la variabilité individuelle de la sensibilité au sevrage. Nous étudierons des porcelets jeunes depuis la naissance jusqu’au post-sevrage. D’une part nous mesurerons des paramètres de l’hôte (surveillance clinique, paramètres immuns et de stress, paramètres zootechniques, génotypes) et, d’autre part, nous caractériserons le microbiote intestinal pendant cette période de transition. Les porcelets seront élevés sans antibiotiques dans différents environnements (fermes expérimentales et commerciales) et sevrés à plusieurs âges. Environ 1000 animaux seront suivis cliniquement, mesurés pour des paramètres de production, d’immunité et de stress, et génotypés avec une puce SNP haute densité. Les paramètres génétiques de sensibilité au sevrage seront estimés et des études d’association génétique seront entreprises pour identifier les régions du génome qui influent sur la variation du phénotype. Les échantillons de fèces seront prélevés avant et après sevrage pour analyser la dynamique de changement du microbiote intestinal et étudier son influence sur la réponse individuelle des porcelets au sevrage. Les données de l’animal et de son microbiote seront intégrées verticalement pour étudier les interactions entre l’hôte et son microbiote dans une vision systémique, et identifier des indicateurs de la sensibilité au sevrage. Une étape de criblage fonctionnel est prévue pour permettre d’identifier des molécules actives à tester in vivo dans des populations conventionnelles et chez des porcelets axéniques. Le consortium mis en place pour PigletBiota favorisera le transfert des connaissances et l’émergence d’innovations.

Evaluer l’impact du changement climatique sur les écosystèmes et leur biodiversité implique de déterminer les bases génétiques de la variation naturelle des caractères qui affectent la dynamique et structure des populations, ainsi que la façon dont ces caractères sont modifiés par les contraintes environnementales. Le mucilage des graines semble intervenir dans plusieurs fonctions écophysiologiques, comme la viabilité des graines. Chez Arabidopsis, ce mucilage forme autour de la graine deux couches polysaccharidiques distinctes, sans que l’on sache pourquoi et comment ces deux couches sont formées. Dans un précédent projet ANR, nous avons caractérisé la variabilité naturelle de la couche externe du mucilage. Nous avons démontré l’existence de variants atypiques pour la quantité de polysaccharides produits ainsi que pour leurs propriétés physicochimiques. La variabilité des propriétés de la couche externe du mucilage était en outre corrélée avec certaines contraintes environnementales. En effet, la production accrue des polysaccharides de la couche externe de mucilage a été reliée à des variants naturels provenant de régions où les hivers sont plus froid. Nos résultats préliminaires indiquent également une production moindre de polysaccharides de la couche interne pour des graines produites par des plantes mères cultivées à température élevée. Dans le projet CEMMU, l’effet des modifications de température sur les caractéristiques du mucilage sera étudié. Les données obtenues pourraient contribuer à la prédiction de l’impact du changement climatique sur les populations naturelles d’Arabidopsis. A ce jour, peu de données sont disponibles sur la constitution structurale des macromolécules de la couche interne du mucilage, étant donné que l’extraction de cette couche impliquant l’hydrolyse de ses polysaccharides constitutifs. Seule, la résonance magnétique nucléaire (RMN) permet une analyse in situ des propriétés du mucilage. La variabilité du mucilage interne de variants naturels différant par les caractéristiques de leur mucilage externe sera étudiée par RMN bas-champ. Nous établirons des liens entre la variabilité des deux couches du mucilage afin d’en comprendre la formation et le rôle. Nous avons montré par RMN bas-champ, que le mucilage retient l’eau qui ainsi pénètre plus lentement à l’intérieur des graines. Ici, nous vérifierons l’hypothèse que cette rétention d’eau par le mucilage maintient l’hydratation de la graine et permettrait alors de prolonger le temps disponible pour les mécanismes de réparation, en conséquence de quoi, la viabilité serait améliorée. Pour cela, nous analyserons l’effet de cycles d’hydratation-déshydratation sur la réparation de l’ADN/des protéines et sur la viabilité à partir d’une série de mutants d’Arabidopsis affectés dans la production de mucilage. En plus de nous fournir des informations précieuses sur les mécanismes fondamentaux de la sélection naturelle, les variants naturels atypiques constituent un matériel de choix pour l’identification de nouveaux gènes intervenant dans la production du mucilage. Nous allons tirer partie de trois mutants naturels pour identifier et caractériser des gènes qui contrôlent la viscosité de la couche externe ou la formation de la couche interne. Les objectifs premiers de CEMMU sont (1) de décrire la variabilité naturelle de la couche interne du mucilage, (2) de déterminer directement l’effet des contraintes de la température sur la production de mucilage, (3) de préciser le rôle du mucilage dans la viabilité de la graine et comment cette dernière est affectée par les conditions environnementales et (4) d’effectuer une analyse fonctionnelle de trois loci influençant la diversité du mucilage. Le projet CEMMU implique la collaboration de trois partenaires qui ont déjà su tirer parti de la complémentarité de leur expertise pour mener à bien des travaux de qualité sur le mucilage de la graine, ainsi que le prouvent leurs six co-publications.

La recombinaison méiotique est un processus clé du développement des organismes sexués, indispensable à la production de gamètes équilibrés et donc à la fertilité des espèces. De plus, elle représente un enjeu majeur en amélioration des plantes car elle permet, grâce aux crossovers (CO), de brasser la diversité génétique initialement répartie entre individus et donc d'introgresser dans les variétés élites des gènes ou traits d'intérêt d'autres variétés ou même d’autres espèces. Des efforts considérables ont donc porté sur l'identification des gènes responsables de la formation des CO chez les plantes, utilisant Arabidopsis thaliana comme principal modèle. Notre compréhension de l'architecture génétique contrôlant la recombinaison méiotique reste malgré tout incomplète, notamment parce que les conséquences de la polyploïdie (multiples copies du génome) n’ont pas été évaluées. La polyploïdie représente pourtant une des caractéristiques les plus prégnantes des espèces cultivées chez lesquelles elle fait souvent suite à une étape d’hybridation interspécifique (i.e. espèces allopolyploïdes). Pour autant, on ne sait pas quels sont les gènes qui permettent de réguler la recombinaison méiotique entre chromosomes homéologues hérités des différentes espèces parentales. On ne sait pas non plus pourquoi la fréquence de CO est augmentée de façon très significative chez certains polyploïdes, ni la généralité de cette observation. Nous nous proposons d’aborder directement ces questions en utilisant deux espèces cultivées polyploïdes, le blé (Triticum aestivum; AABBDD; 2n=42) et le colza (Brassica napus; AACC; 2n=38), comme modèles d’étude. Dans un premier temps, nous nous proposons de procéder à la caractérisation moléculaire de deux locus connus pour faire varier les fréquences de CO entre chromosomes homéologues chez le blé (locus Ph2) et le colza (PrBn). Nous chercherons à déterminer si ces locus ont pour origine des mutations non nulles révélant de nouvelles fonctions pour des gènes déjà identifiés ou au contraire si elles sont causées par des gènes encore inconnus. En parallèle de la stratégie de clonage positionnel, cette démarche nous amènera à évaluer l’effet causal d’un gène candidat très prometteur pour Ph2 chez le Blé (TaMSH7). Cette première partie du projet nous permettra d’approfondir notre compréhension des mécanismes qui entravent les possibilités d'introgression dans le blé ou le colza de gènes d’intérêt présents chez des espèces apparentées. En parallèle, nous approfondirons notre compréhension d’un phénomène original que nous avons découvert et qui conduit à multiplier par 3 la fréquence de recombinaison dans des hybrides de Brassica. Nous chercherons à savoir si ce phénomène affecte une des voies de formation des CO (il en existe plusieurs) de façon préférentielle ; nous étudierons l’effet individuel ou en combinaison de trois chromosomes additionnels du génome C (lignées d’addition AA+C) sur la fréquence de recombinaison et sur la force de l’interférence, le phénomène qui est responsable du fait que deux CO ne se forment pas l’un à côté de l’autre au cours d’une même méiose. Nous vérifierons dans le même temps si ce phénomène est généralisable à des pentaploïdes de blé. Notre projet intègre des approches de génétique, génomique, bio-informatique, cytologie, statistique et de cytogénétique afin de mieux définir les causes de variation de la fréquence de CO chez deux espèces cultivées majeures pour l’agriculture française. Les connaissances fondamentales produites dans ce projet multidisciplinaire pourraient avoir un écho rapide en innovation variétale, un regain de variabilité génétique (produit par un surcroît de crossovers intra ou inter-espèces) étant requis pour relever les défis à venir (diversification et qualité des produits, réduction des intrants, réponse rapide au changement climatique, résistance aux maladies).

Les plantes doivent gérer les données de l’environnement et y réagir par des changements transcriptionnels et traductionnels qui stimulent les réponses requises pour leur adaptation et leur croissance. Une voie de signalisation clé impliquée dans cette réponse est celle de TOR (Target of Rapamycin), une protéine kinase intervenant dans de multiples processus cellulaires qui contrôlent la réponse aux facteurs de croissance, aux nutriments et aux hormones. Les plantes semblent aussi dépendre de la perception des signaux par TOR, mais leur nature est inconnue ou non caractérisée. L’objectif majeur est de déterminer le rôle de ces signaux dans l’adaptation de la plante à l’environnement (stress lumineux) et à deux hormones de croissance et de prolifération, l’auxine et la kinétine. Les éléments intermédiaires qui font le lien entre les effecteurs en amont de TOR et l’activation de TOR, seront aussi recherchés grâce à la combinaison de méthodes biochimiques, génétiques et pharmacologiques.

L'azote est un macro-élément essentiel pour tous les organismes vivants. Les plantes et les champignons sont les seuls organismes multicellulaires capables d'assimiler l’azote minéral. Le nitrate, la forme prépondérante d’azote dans les sols, est généralement limitant pour la croissance et la productivité des plantes en raison des fluctuations spatiales et temporelles de sa disponibilité dans le sol. Les plantes ont développé des réponses adaptatives leur permettant de faire face à ces limitations et de maintenir leur croissance. En particulier, il est maintenant établi que les plantes sont capables de détecter la disponibilité en nitrate. Celui-ci agit donc comme une molécule de signalisation qui régule de nombreux aspects de son absorption par la plante, ainsi que le métabolisme et le développement végétal. De plus, une voie systémique de signalisation informe les racines de l'état nutritif général de la plante et conduit à l’ajustement fin de l’absorption du nitrate par l’ensemble de la demande en éléments nutritifs azotés. Malgré les nombreuses connaissances sur le métabolisme azoté, ce n’est que récemment que les acteurs moléculaires impliqués dans ces circuits de régulation ont été découverts. Une collaboration entre deux des partenaires du projet proposé a notamment révélé le rôle clé du facteur de transcription NLP7 dans la signalisation précoce du nitrate, dont l’activité est finement régulée par un mécanisme original de rétention nucléaire en présence de nitrate. Collectivement, ces éléments mettent en lumière la nécessité de mieux comprendre comment la signalisation précoce du nitrate et la signalisation systémique de rétroaction par l’azote sont intégrées et régissent la réponse de la plante à la disponibilité en azote. Nos résultats récents supportent l’hypothèse que NLP7 est un intégrateur clé de ces voies de signalisation. Grâce aux nombreux outils et connaissances dont nous disposons déjà pour l'étude des protéines NLPs, nous proposons maintenant d’étudier cette hypothèse et étendre la connaissance des rôles des NLPs à l’échelle cellulaire et au niveau du système biologique entier afin de mieux comprendre la réponse de la plante entière à l’azote. Ces connaissances devraient grandement aider à la mise en œuvre de stratégies nouvelles pour améliorer l'efficacité d'utilisation de l’azote des cultures végétales. La compréhension du rôle central des NLPs sera abordée au travers de quatre questions et en intégrant les résultats obtenus par une approche de modélisation visant à appréhender l'ensemble du réseau de régulation de l’utilisation de l’azote dépendant des NLPs: 1 ) NLP7 est-il un intégrateur à la fois de la signalisation locale et systémique du nitrate en réponse à la demande nutritionnelle de la plante? 2) Les réponses dépendant de NLP7 diffèrent-elles entre différents types cellulaires de la racine? 3 ) La régulation (tissu-spécifique) par NLP7 est-elle associée à des changements d’états chromatiniens? 4 ) Quelles sont les autres protéines NLPs impliquées dans la signalisation azotée ? Deux des partenaires associés dans ce projet sont des pionniers dans l'identification et l'étude des protéines régulatrices impliquées dans la signalisation de l’azote. Le partenaire 1 (IJPB-Versailles) est spécialisé dans la réponse précoce au nitrate, tandis que le partenaire 3 (BPMP-Montpellier) est un expert de la signalisation systémique de la satiété en azote. Le partenaire 2 est quant à lui spécialisé dans l'étude à l’échelle du génome des modifications de la chromatine (partenaire 2, IBENS-Paris) et a récemment participé avec le partenaire 1 à l'identification de NLP7 comme un régulateur clé de la signalisation précoce du nitrate. Le projet proposé repose donc sur une synergie entre les différentes compétences apportées par les trois partenaires et devrait de ce fait conduire à une vision intégrée de la signalisation de l'azote, et du réseau de régulation orchestré par NLP7.

Le projet BOVANO a pour ambition d’identifier des mutations responsables d’anomalies génétiques dans les races bovines françaises et, pour certaines de ces mutations, de réaliser une validation fonctionnelle. Parce que les émergences sont tardives pour les mutations récessives, une innovation forte du projet vise à les mettre en évidence en amont à partir de la séquence génomique d’un nombre élevé de taureaux. Les bovins constituent un modèle de choix, du fait de l’effectif génétique limité de chaque race (environ 100), de l’information phénotypique de qualité sur un grand nombre d’animaux et des ressources génomiques disponibles. Ce projet bénéficiera de trois initiatives en cours : (a) l’ONAB ou observatoire national des anomalies bovines, rassemblant les partenaires académiques, vétérinaires et industriels pour détecter précocément les émergences ; (b) une grande base de données de génotypages pangénomiques constituée à des fins de sélection génomique (plusieurs centaines de milliers d’individus) ; (c) une grande base de données de séquences de génomes complets capitalisée par différents projets de recherche conduits par les partenaires et au travers de collaborations internationales dans le cadre du projet « 1000 génomes bovins ». Le projet rassemble cinq partenaires spécialistes de génétique, génomique, reproduction et développement de l’espèce bovine, une plateforme de bioinformatique avec de forte compétences dans l’annotation des génomes, une plateforme de séquençage et un partenaire industriel d’envergure nationale, directement concerné par les anomalies génétiques et conduisant une activité de recherches et développement en génétique et reproduction bovine. Le projet comprend cinq tâches : (1) l’identification in silico de mutations candidate considérées comme délétères, à partir de l’analyse bioinformatique de l’ensemble des séquences génomiques disponibles, puis leur validation statistique dans les populations par des génotypages supplémentaires à l’aide d’une puce SNP enrichie avec ces mutations candidates ; la cartographie de mutations récessives responsables de mortalité embryonnaire par une approche de déficit en homozygotes ; (2) la cartographie et l’identification, par génotypage puis séquençage, d’anomalies génétiques observées dans les populations commerciales et détectées par l’ONAB; (3) la caractérisation des mutations létales au stade embryonnaire par suivi et analyse fine du développement d’embryons issus d’accouplements à risque entre porteurs hétérozygotes ; (4) la caractérisation des phénotypes associés à des mutations supposées très délétères sur la base de leur annotation bioinformatique mais observées comme non létales dans les population, à l’aide de l’observation et le suivi de jeunes animaux homozygotes mutés issus d’accouplements à risque ; (5) l’analyse fonctionnelle détaillée de certaines mutations avec des investigations poussées incluant l’analyse du transcriptome de tissus bovins et l’étude de souris transgéniques. Les résultats attendus sont à la fois académiques avec l’annotation et la caractérisation de gènes jusqu’à présent de fonction inconnue ou bien la production de nouveaux outils innovants d’annotation du génome, mais aussi finalisés avec une liste large d’anomalies ségrégeant dans les populations bovines, dont un certain nombre détectés avant toute émergence sur la base de la séquence ou la production d’outils de génotypages intégrés mis à la disposition de la profession bovine pour éradiquer ces défauts.

La formation des tissus vasculaires et la différenciation des cellules qui les composent restent très mal connues chez les graminées. En effet, à l’inverse des plantes dicotylédones, les graminées ne produisent pas de développement secondaire (absence de cambium actif) et donc les tissus vasculaires sont entièrement sous contrôle des méristèmes primaires. Ce mécanisme de développement, la faible croissance en épaisseur, la nature des tiges souvent fistuleuse expliquent peut-être en partie, le manque d’intérêt pour les mécanismes moléculaires contrôlant la formation des tissus vasculaires chez les graminées. Cependant, ces plantes couvrent 20% des surfaces terrestres et sont très largement utilisées pour l’alimentation humaine, animale et l’industrie. La biomasse des graminées est de plus en plus sollicitée pour de nouvelles applications comme les bioplastiques, la construction, les nanomatériaux, les biocarburants et fait l’objet de projets de recherche prioritaire (investissements d’avenir, i.e Biomass For the Future). En outre, les grandes cultures de graminées sont confrontées à de nombreux changements climatiques qui exercent plus de pression sur les rendements et la gestion de l’eau par exemple. Les tissus vasculaires forment un réseau transportant eau, nutriments et molécules de signalisation à travers toute la plante. En outre, de par leur nature pariétale, leur quantité et leur forme, les vaisseaux du xylème ont un impact fort sur la qualité de la biomasse et les propriétés mécaniques des organes de la plante. L’objectif de ce projet est de créer des connaissances scientifiques sur les gènes et les mécanismes physiologiques qui régulent le développement des faisceaux vasculaires ainsi que la nature de chaque type cellulaire (phloème, métaxylème, protoxylème, parenchyme vasculaire, mestome, sclérenchyme intra-fasciculaire). Nous déchiffrerons la complexité du réseau vasculaire tel qu’il est formé dans les jeunes tissus sous-méristèmatiques et méristèmatiques. Nous criblerons une collection de mutants Brachypodium pour identifier les gènes majeurs contrôlant le développement vasculaire. Nous utiliserons des données de transcriptomique obtenues par microdissection laser pour décoder les mécanismes moléculaires de la vascularisation chez les graminées au cours du développement, identifierons les gènes clés, clonerons leur promoteur et travaillerons sur les mutants correspondants en fonction de leur disponibilité. En conclusion, nous restituerons un représentation en trois dimensions du système vasculaire complexe chez Brachypodium. Nous proposerons des réseaux de régulation et identifierons des groupes de gènes spécifiques agissant de concert pour la division et la différenciation des différentes cellules vasculaires.

Les organismes vivants doivent constamment équilibrer l’utilisation qu’ils font de leurs ressources entre la croissance et le développement d’une part et la protection face à des stress biotiques ou abiotiques d’autre part. Chez les eucaryotes en général, et chez les plantes en particulier, le RNA silencing joue un rôle prépondérant dans cette balance en liant de manière dynamique les programmes développementaux et les réponses à l’environnement à des modifications de l’expression des gènes. Le terme RNA silencing englobe, de manière générale, l’ensemble des mécanismes conduisant à la suppression de l’expression de gènes, au niveau transcriptionnel ou post-transcriptionnel, via des interactions séquence-spécifiques assurées par de petites molécules d’ARN. Ces mécanismes jouent un rôle essentiel dans un grand nombre de processus biologiques tels que le maintien de la stabilité des génomes, le contrôle de l’expression de gènes au cours du développement ou la défense antivirale. Bien qu’au cours de la dernière décennie un grand nombre de facteurs du RNA silencing ait été identifié chez de nombreuses espèces eucaryotes, conduisant à notre compréhension actuelle de ce processus conservé, il existe très peu d’informations concernant leurs modifications post-traductionnelles. Cependant, il est bien établi que de telles modifications fonctionnent de manière similaire à des commutateurs moléculaires capables de réguler la stabilité ou l’activité des protéines ciblées. Développer ce genre de mécanismes de régulation, permettant le contrôle efficace et potentiellement réversible des différentes voies du RNA silencing, est probablement d’autant plus important chez les plantes, de par leur mode de vie sessile. Dans ce projet, nous nous proposons donc d’identifier les diverses modifications post-traductionnelles de facteurs clés du RNA silencing chez les plantes, de caractériser leur(s) fonction(s) biologiques et de déterminer leur effet ou leur impact en réponse à différents types de signaux environnementaux, en utilisant une combinaison d’approches biochimiques, génétiques et protéomiques de pointe. Les résultats obtenus devraient fournir d’importantes nouvelles avancées dans notre compréhension du RNA silencing, de sa régulation chez les plantes et de son rôle biologique en réponse à des stress biotiques ou abiotiques. De plus, ces résultats pourraient renfermer un intérêt biotechnologique en nous permettant d’entrevoir de nouveaux moyens de réguler les différentes voies du RNA silencing.

Les champignons sont les principaux agents pathogènes de plantes, y compris des plantes ayant une grande importance économique, et ont un fort impact sur l’économie, la santé humaine et l’environnement. De plus, les champignons présentent une incroyable plasticité et une grande capacité de dissémination et d’adaptation à de nouveaux environnements, incluant des changements d’espèces végétales ou de méthodes de lutte. Leptosphaeria maculans est une parfaite illustration de ce phénomène. En effet, ce champignon ascomycète, responsable de l’une des principales maladies du colza, se comporte comme une espèce invasive et présente un très fort potentiel évolutif. Le contrôle des maladies fongiques nécessite une compréhension approfondie des déterminants de la pathogénie. Pendant l’infection, les agents phytopathogènes, notamment les champignons, sécrètent un arsenal de molécules, appelées effecteurs, éléments clés de la pathogénie qui modulent l’immunité innée de la plante et facilitent l’infection. Les effecteurs fongiques présentent une grande diversité et correspondent principalement à de petites proteines potentiellement sécrétées (PPS), n’ayant pas ou peu d’homologues dans les bases de données et pas de motifs connus. Par conséquent, leur fonction biologique est difficile à prédire et la résolution de leur structure tridimentionnelle peut être très informative pour déterminer cette fonction. Sur ces bases, nous proposons un projet de recherche fondamentale, StructuraLEP, dont l’objectif est d’élucider l’implication d’effecteurs de L. maculans dans la pathogénie grâce à la détermination de leurs caractéristiques structurales et fonctionnelles et de leurs interactants. StructuraLEP est un projet interdisciplinaire qui implique deux équipes avec des expertises internationalement reconnues dans le domaine de la génomique fongique et de l’analyse fonctionnelle des effecteurs fongiques (Partenaire 1) et de la biologie structurale (Partenaire 2). Notre étude sera réalisée sur 6 effecteurs de L. maculans correspondant à des candidats prometteurs précédemment identifiés par le Partenaire 1 et choisis pour leur intérêt biologique (implication dans la fitness fongique, gène de résistance correspondant caractérisé, deux gènes AVR nécessaires pour être reconnus par un gène R, un gène AVR qui masque la reconnaissance d’un autre gène AVR par son gène R). Le projet StructuraLEP combine biologie structurale, génomique fonctionnelle, transformation de plantes et cytologie. Il est organisé en 3 tâches (plus une tâche de coordination) allant d’une tâche initiale visant à caractériser structuralement et fonctionnellement les effecteurs de L. maculans (Tâche 2), une tâche exploratoire impliquant le criblage de protéines végétales et de molécules pour leur interaction avec ces effecteurs (Tâche 3) jusqu’à une tâche focalisée sur la caractérisation physique et fonctionnelle des interactions identifiées (Tâche 4). Les effecteurs et leurs interactants seront analysés grâce à ces approches complémentaires pour répondre aux questions suivantes : (i) quelle est la structure 3-D des effecteurs de L. maculans ? (ii) Où agissent les effecteurs pendant l’infection d’une plante hôte ? (iii) Quelles molécules interagissent avec les effecteurs de L. maculans ? (iv) Quelles fonctions de la plante sont manipulées et quelles protéines végétales sont ciblées par ces effecteurs ? Intégrer des connaissances sur la structure 3-D des effecteurs, sur leur localisation et sur le ciblage de protéines végétales et de processus biologiques par ces effecteurs nous permettra de mieux comprendre les processus fondamentaux qui gouvernent l’association d’un champignon phytopathogène avec sa plante hôte. Ces connaissances pourront permettre de développer de nouvelles stratégies de contrôle des maladies fongiques au champ.