Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay

Dans le cadre du projet SMILE, nous étudierons de nouveaux isomères de molécules interstellaires connues, à la fois en laboratoire et dans l'espace. En utilisant nos modèles sur la chimie de plusieurs sources interstellaires, nous avons identifié des cibles moléculaires spécifiques, avec des abondances anticipées substantielles dans le milieu interstellaire, pour lesquelles les données de laboratoire font actuellement défaut. Notre approche implique la caractérisation expérimentale de leurs spectres rotationnels, suivie de recherches interstellaires. Chaque détection interstellaire, ou son absence, fournira des contraintes essentielles pour affiner les modèles actuels des réseaux astro-chimiques.

La microscopie à feuille de lumière (LSFM) est particulièrement adaptée à l'imagerie de phénomènes dynamiques à l’échelle subcellulaire dans le vivant. Les progrès récents permettent d'obtenir une feuille de lumière fine sur un large champ d'observation. La résolution spatiale et le contraste y sont néanmoins dégradés en profondeur, du fait des aberrations optiques induites par les inhomogénéités d'indice des tissus. Nous avons récemment développé une approche d’optique adaptative (OA) innovante, basée sur un nouvel analyseur de front d’onde en source étendue, adapté aux contraintes d’usage en microscopie. Nous avons démontré son efficacité pour la mesure et la correction d’aberrations dans le cerveau de la drosophile et du poisson zèbre, à l’aide d’un système AO-LSFM. Cependant, l’imagerie du vivant par AO-LSFM, à haute résolution spatio-temporelle et en profondeur reste un défi. Au contraire des tissus fixés, les échantillons vivants sont dynamiques et nécessitent une haute vitesse d’imagerie et de mesure d’aberrations. Il est plus difficile d’y obtenir un marquage brillant, de densité contrôlée, et ils ne peuvent être clarifiés pour en réduire la diffusion. De plus, une mesure de front d’onde précise nécessite une feuille de lumière fine, proche de la profondeur de champ du microscope. Le projet Live-LSAO propose de développer un nouveau système AO-LSFM permettant d’adresser les problématiques précédentes et de fournir aux biologistes une solution d’imagerie plus performante que l’état de l’art : haute résolution 3D sur champ large, à grande profondeur dans le vivant, avec des cadences d’imagerie et d’OA compatibles avec des phénomènes dynamiques. Le système permettra une meilleure quantification à partir d’images acquises en profondeur, sur organoïdes et larves de poisson zèbre. De plus, un prototype compatible à un usage en plateforme d’imagerie sera développé, permettant d’élargir le champ des applications et de préparer le développement d’un futur produit.

L’objectif du projet BADASS est de pouvoir suivre les trajectoires de nanoparticules en mouvement dans des cellules in-vivo, et dans un régime temps réel de super-localisation. L’implémentation d’une boucle optimisée et rapide d’optique adaptative à un microscope de tracking à deux photons (déjà développé) est au coeur technique du projet. Le dispositif vise à mesurer en profondeur des positions de nanoparticules à mieux que 3 nanomètres de précision et sur des échelles de temps de l'ordre de la milliseconde, qui sont les échelles spatiotemporelles typiques de la dynamique des moteurs moléculaires individuels. Le système sera testé et amélioré en mesurant le transport intraneuronal dans des larves de poissons zèbres. Dans un second temps, les larves pourront être soumises à un stress oxydatif mimant des dysfonctions neuronales de maladie neurodénégérative afin de comparer des conditions biologiques différentes. En parallèle, une analyse fine des résultats par une approche bayésienne non supervisée permettra de remonter aux paramètres du transport intraneuronal et de comparer les conditions biologiques de manière rigoureuse.

Notre objectif est d'étudier la capacité de stockage de l'hydrogène d'un nombre important et représentatif de MXènes, composés de divers métaux de transition et de groupes terminaux de surface, en utilisant un ensemble judicieusement choisi de techniques théoriques et expérimentales. D'un point de vue théorique, nous développerons une nouvelle famille de potentiels atomistiques basés sur un réseau neuronal. Ces potentiels seront utilisés pour explorer efficacement l'espace conformationnel de milliers de structures de MXène et mettre en évidence leur capacité potentielle de stockage de H2 en fonction de la structure et de la composition chimique. Les effets quantiques nucléaires associés au confinement de H2 seront analysés pour les cas les plus pertinents. Guidées par ces prédictions théoriques, des expériences seront menées pour synthétiser les structures les plus prometteuses et tester leur capacité de stockage de l'hydrogène. Les résultats expérimentaux fourniront un retour d'information précieux pour nos simulations. Enfin, la combinaison de toutes ces informations servira à développer un agent d’apprentissage automatique pour la prédiction de la capacité de stockage de l'hydrogène directement à partir des structures, évitant ainsi le recours aux calculs traditionnels de modélisation atomistique.

Les impulsions laser ultracourtes ont révolutionné notre capacité à suivre les réarrangements moléculaires en temps réel, en particulier lors de la rupture des liaisons chimiques. Générer et contrôler ces processus sur des échelles de temps aussi rapides offrent des opportunités passionnantes pour des applications innovantes en chimie et en biologie, qui peuvent avoir un impact significatif sur la société. Dans ce contexte, I-CATCH s'attaque directement au défi d'observer la formation des liaisons en temps réel. Le projet vise à suivre la formation d'un complexe ionique composé de deux espèces initialement séparées à l'intérieur d'un nanoréacteur cryogénique. Pour ce faire, I-CATCH réunit des technologies avancées issues des domaines des gouttelettes d'hélium et de la science des lasers ultrarapides, permettant de contrôler respectivement les dimensions spatiales et temporelles de la réaction. Plus précisément, le projet étudiera la dynamique de réaction entre une molécule de type benzène, localisée au centre d'une nanodroplet d'hélium, et un ion alcalin dopé à sa surface. Lorsque l'ion alcalin plongera dans la gouttelette, il réagira avec la molécule, ce qui nous permettra de caractériser la dynamique de formation et la géométrie du complexe résultant. Cette recherche mettra en lumière le rôle des forces intermoleculaires qui dictent à la fois la liaison et la configuration structurelle du complexe. De plus, l'influence des moments multipolaires au cours de ce processus sera examinée en faisant varier les radicaux attachés à la molécule de type benzène, tandis que la dynamique de plongée sera évaluée pour différentes espèces alcalines. L'objectif est de développer une compréhension globale de la réaction, depuis son initiation jusqu'à son achèvement, tout en révélant également le rôle du solvant dans le processus global. I-CATCH utilisera des collaborations internationales existantes et en créera de nouvelles afin de d'aborder ce problème complexe

Les biomembranes délimitent la surface cellulaire et les organites et servent de plates-formes pour une multitude de processus moléculaires. La tension est une propriété majeure des membranes. Elle contribue de manière significative à la régulation de la déformation des membranes et à leur altération topologique lors des événements de fusion et de fission. Par conséquent, la tension membranaire est une propriété essentielle pour réguler la dynamique membranaire des cellules. Malheureusement, les données sur la tension endomembranaire et sa régulation sont limitées en raison du manque d'outils établis pour la mesurer, ce qui empêche une compréhension complète de la dynamique des organelles. L'objectif de cette proposition est de révéler de manière exhaustive les mécanismes moléculaires régulant la tension membranaire intracellulaire au cours de l'autophagie, une voie autodigestive caractérisée par des déformations endomembranaires majeures. En particulier, nous nous concentrerons sur la régulation de la tension membranaire par les moteurs actine-dépendants de la famille des myosines. Notre hypothèse est que les myosines non conventionnelles, Myo1B et Myo1C, connues pour réguler l'autophagie, potentiellement aidées par Myo7A également présente au niveau des lysosomes, exercent leurs fonctions distinctes en contrôlant la tension membranaire. Ici, nous effectuerons des mesures résolues en 3D de la tension de la membrane lysosomale grâce au développement d'une microscopie FLIM rapide et à haute résolution dans les cellules pendant l'autophagie (WP1). Nous combinerons cette approche avec des études mécanistiques de reconstitution in vitro à partir de vésicule unilamellaires géantes (GUV) et d’organites (WP2) et une analyse structure/fonction de ces moteurs (WP3). Notre étude multi-échelle permettra de fournir des détails sans précédent sur la façon dont les myosines non conventionnelles 1 et 7A régulent la tension membranaire au cours de l'autophagie.

L’arsenal thérapeutique contre la douleur chronique reste limité et présente de nombreux effets secondaires allant jusqu’à l’addiction. Pour relever ce défi, le projet MyPainkiller s'appuie sur le développement d’un produit naturel isolé à partir d’actinomycètes, connu sous le nom de mycolactone, pour lequel nous avons montré un rôle d’antidouleur à action longue durée et à des doses 1000 fois plus faibles que la morphine chez les rongeurs. Avantageusement, la mycolactone n'entrave pas la motricité. Ce produit a été formulé dans des nanoparticules à base de poly-cyclodextrines conduisant à une forte amélioration de ses propriétés physicochimiques, ce qui permet de le positionner comme un candidat médicament pour le traitement de la douleur. Ce produit innovant, récemment breveté par nos institutions (INSERM / CNRS), marque le point culminant des efforts collaboratifs de quatre équipes multidisciplinaires au cours de la dernière décennie : IPL (Institut Pasteur de Lille), ISMO (Institut de Sciences Moléculaires d'Orsay), INCIT (Immunologie et Nouveaux Concepts en Immunothérapie, Nantes) et IGF (Institut de Génomique Fonctionnelle, CNRS, Montpellier). S'appuyant sur cette solide base, notre projet vise à réaliser les études nécessaires pour le développement de la mycolactone comme candidat médicament. Premièrement, nous nous concentrerons sur l'évaluation de la stabilité à long terme de la formulation pCD-ML, sa diffusion tissulaire, ses propriétés pharmacocinétiques et d'ADME (absorption, distribution, métabolisme et excrétion). Des techniques avancées, telles que l'imagerie MALDI-MS et le marquage au 13C de la mycolactone, seront utilisées pour étudier la diffusion tissulaire et détecter les métabolites. Deuxièmement, nous décrypterons les mécanismes par lesquels la pCD potentialise les propriétés analgésiques de la mycolactone. Étant donné nos recherches récentes sur l'implication de l'AT2R (récepteur de l'angiotensine II de type 2) dans les effets de la mycolactone, nous étudierons que ce récepteur est bien la cible de la pCD-ML aux niveaux cellulaire et subcellulaire. Cela implique de décrypter les voies de signalisation impliquées dans l'action de la mycolactone au sein des neurones, des macrophages et de leur interaction, en exploitant des technologies innovantes telles que l'APEX pour l'analyse des voies de signalisation cellulaire et des cocultures primaires de macrophages-neurones couplées à une analyse basée sur l'imagerie. Enfin, nous évaluerons l'efficacité de la formulation pCD-ML dans trois modèles murins de douleur périphérique, en nous appuyant sur des expériences précédentes avec la mycolactone seule. Cet effort collaboratif associant des expertises complémentaires doit à terme apporter les éléments manquants actuellement pour permettre le passage de la pCD-ML en phase pré-clinique. Le projet MyPainkiller vise à répondre au besoin sociétal urgent de traitement efficace de la douleur MyPainkiller vise à répondre au besoin sociétal urgent en matière de gestion efficace de la douleur et à poser des bases solides pour l'établissement d'un partenariat public-privé en vue du développement préclinique ultérieur du produit.

Avec des rendements record et des coûts réduits, les cellules solaires à base de couches minces de pérovskites hybrides halogénées pourraient créer une révolution dans le photovoltaïque, à condition de résoudre le problème rédhibitoire de leur instabilité. La question se pose quant à son origine principalement intrinsèque (thermodynamique) ou extrinsèque (liée aux défauts). Par ailleurs, le mystère demeure encore quant aux liens entre morphologie et propriétés optoélectroniques. En effet, les couches préparées en solution, polycristallines par nature et comportant de nombreux défauts, affichent des performances paradoxalement meilleures que les couches élaborées sous vide, pourtant de meilleure qualité cristalline. Afin de répondre, sur le plan fondamental, à tous ces questionnements, le projet HaPero propose une approche originale pour élaborer des couches minces de grande qualité structurale, sous ultravide et par une caractérisation multitechnique en temps réel. Une palette d’outils, tels que la diffusion d’ions et d’atomes, la génération de fréquence somme ou la spectroscopie magnéto-optique, permettra d’identifier les propriétés (optoélectronique et de stabilité) intrinsèques de ces couches monocristallines ainsi que les processus de dégradation par réaction avec l’environnement (lumière, eau, oxygène). Ces études, menées parallèlement sur des couches similaires produites en solution, permettront d’élucider l’influence de la morphologie sur les propriétés optoélectroniques : dynamique des excitons, couplage électron-phonon, existence et nature des polarons. Le consortium réunit trois partenaires complémentaires dans les domaines clefs allant de la synthèse chimique à la caractérisation optique, en passant par la croissance de couches minces et l’analyse des surfaces sous ultravide. Ces résultats devraient apporter un nouvel éclairage sur les mécanismes fondamentaux à l’origine de l’instabilité ainsi que des propriétés remarquables de ces matériaux fascinants.

Ce projet (36 mois) vise à étudier les changements de structure électronique à travers la transition métal-isolant (MIT) induits par la température, le dopage ou la déformation dans V2O3 et VO2. Pour ce faire, nous utiliserons la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), le micro-ARPES, et la spectre-microscopie à effet tunnel (STM). Notre effort expérimental sera soutenu par nos collaborations robustes de longue date avec des spécialistes de la fabrication de couches minces et de monocristaux d'oxydes corrélés, et des théoriciens de la matière condensée, spécialistes des systèmes d'électrons corrélés et des calculs DMFT. La MIT est l’exemple le plus fondamental de la façon dont les corrélations électroniques modifient radicalement les propriétés d’un matériau. Cependant, sa compréhension complète constitue un défi majeur depuis plus de 50 ans. Un pilier manquant est la mesure des changements induits par la MIT dans la structure électronique résolue en énergie, en impulsion et dans l'espace d'un système corrélé. Ici, nous espérons identifier les caractéristiques microscopiques universelles (états électroniques, symétries des gaps d'énergie) ainsi que les aspects spécifiques de la MIT dans ces deux vanadates. Pour ce faire, nous sollicitons à l'ANR le financement pour le salaire et l'environnement recherche pour un postdoc de 2 ans, pour travailler dans l'équipe "Systèmes électroniques fortement corrélés", au sein du groupe SIM2D, à l'Institut des Sciences Moléculaires d'Orsay.

Nous étudierons la photochimie, la photophysique et la dynamique de photodissociation de petites molécules aromatiques en phase gazeuse. Le travail est motivé par l'intérêt fondamental de plusieurs espèces, mais aussi par leur pertinence dans divers domaines de la chimie. Les systèmes qui seront étudiés comprennent les isomères de formule C6H6, certains de leurs isostères B,N (molécules obtenues en échangeant deux atomes de carbone par un atome d'azote et un atome de bore) et enfin des quelques isomères C7H6 et C7H5 sélectionnés. Les isomères C6H6 fulvène et DMCB sont des intermédiaires important dans la formation des hydrocarbures aromatiques polycycliques (PAH) dans le processus de combution ou dans l'espace interstellaire. Le mécanisme de formation des PAH est toujours considéré comme un problème majeur non résolu. Le Fulvene, le DMCB et plusieurs isomères du C7Hx sont des espèces centrales, mais ni leur chimie ni leur spectroscopie n'ont fait l'objet d'une étude approfondie. Le remplacement de deux atomes de carbone dans les molécules aromatiques par un bore et un azote conserve le nombre d'électrons et conduit à des isostères, qui présentent des modifications spectaculaires de la structure électronique, ce qui rend les composés intéressants pour les applications en science des matériaux. Il a par exemple été suggéré que les isostères B,N des PAH pourraient faciliter le processus de fission des singulets, un processus supposé augmenter l'efficacité des cellules solaires. Nous nous intéresserons ici à la borazine (également appelée "benzène inorganique") et à la 1,4-azaborine afin d'améliorer notre compréhension de la photochimie dans les isostères B,N du benzène. Les expériences sont basées sur l'excitation laser pour initier la photochimie et sur l'ionisation pour suivre la dynamique. Alors que les processus primaires seront étudiés par spectroscopie résolue en temps sur le plateau de Saclay, les processus à plus longue échelle de temps seront suivis par la détection de photofragments à Würzburg. Comme nouvelle technique, nous utiliserons des impulsions femtosecondes de sonde dans le domaine des rayons X doux pour accéder aux étapes de la réaction qui sont inaccessibles par les méthodes standard. La structure et la réactivité du cation moléculaire seront explorées à l'aide du rayonnement synchrotron afin d'obtenir une image complète de la chimie moléculaire. Les études sont complétées par des calculs et les expériences seront simulées par des calculs de dynamique moléculaire. Le projet est rendu possible par les compétences complémentaires des partenaires. Alors que l'équipe de Würzburg apporte son expertise dans la chimie des espèces réactives, leur photodissociation et photoionisation et la simulation numérique de leurs réactions, l'équipe de Paris-Saclay est un groupe leader dans le domaine de la spectroscopie ultrarapide. Les deux groupes entretiennent une collaboration de longue date et les coordinateurs ont supervisé conjointement deux thèses de doctorat binationales (cotutelle de thèse). Cela montre que le cadre d'une coopération fructueuse est déjà en place.

Despite the tremendous advances in single molecule localization microscopy mainly obtained on fixed cells, a major step is highly needed to transform it into a genuine live-cell nanoscopy allowing to understand biological processes in their full multi-scale nature from the individual molecule, to the cell, to the multicellular tissues. Currently, there is no solution to image with an acquisition speed compatible with the dynamics of living cells (>kHz), over a large volumes (>10000 μm3), with a significant in-depth imaging capability (>10 µm) without compromising the resolution (<10 nm) especially in the axial dimension. I will demonstrate that these challenges can be met without trade-off by proposing a disruptive approach which requires the entire illumination and detection strategies to be considered anew. Building on my achievements in super-resolution microscopy, I propose a disruptive optical implementation where a full-time coding approach allows to retrieve the space information, not only meeting the needed acquisition rate, but also bringing the richness of functional information (spectral, lifetime). In a first conceptual breakthrough, a new sweeping modulated illumination is introduced, where each point along the direction of the modulation can be retrieved through a unique frequency, without any ambiguity. By applying this frequency tagging in all dimensions, every single molecule event is described by a unique set of 3 frequencies. This unicity triggers a second change of paradigm, as emitters positions within a large field of view can now be retrieved in a camera-free setting. Fast acquisition can be performed by single monodetector, but the power of this temporal approach will be decupled by the ultimate technical advances of new neuromorphic detections. This unique in-depth information at the nanoscale will allow to finally decipher the structural and functional interplay in key biological mechanisms in living cells with unprecedented benefits.

The development of super-resolution (SR) microscopy in recent years has revolutionized cell biology, breaking the diffraction limit of light microscopy by order of magnitude. However, SR is currently incompatible with high-content imaging. RT-SuperES will provide a groundbreaking and affordable technology with automated SR capabilities beyond the state-of-the-art. To this end, we will generate a library of endogenously-labelled SNAP-tag fusion proteins in mouse embryonic stem cells (ESCs), and deploy a real-time decision-making module, which will continuously monitor our SNAP-tagged cells using fast fluorescence imaging, and, once a change is detected, will fix the desired cells, and switch to SR mode. By bringing together seven world-leading experts from four different countries, combining basic and applied research and industry, we propose several firsts: a) The first endogenously-labelled clone library of SNAP-tag fusion proteins; b) Utilize machine learning (ML) for real-time automated decision making, autonomously switching from fast conventional to SR imaging; c) Combine high content with SR imaging; d) Integrate novel, cutting-edge technologies, namely SR Radial Fluctuations (SRRF), NanoJ-Fluidics, Single Molecule Localization Microscopy (SMLM) and Structured Illumination Microscopy (SIM); e) Collect large scale imaging datasets of cell states in ESCs, and f) Provide cell-cycle stage-dependent nanoscale localization of selected nuclear and chromatin proteins (e.g. H3.3), during early ESC differentiation. RT-SuperES will provide the scientific community with the first-of-its-kind commercial real-time SR-highcontent imaging system, and the first library of endogenously SNAP-tagged ESC clones, which are ideal, among many other things, for SR imaging.