L’imagerie biologique a fortement contribué à la compréhension du vivant grâce à une succession d’avancées conceptuelles et technologiques en chimie et physique. L’obtention de plusieurs prix Nobel dans le domaine au cours des deux dernières décennies est un marqueur de cette forte évolution, en particulier en microscopie photonique. Ces imageries se développent d’une part dans la nanoscopie avec des mesures au niveau de la molécule unique et d’autre part en macroscopie avec l’imagerie des tissus et organismes complets. Cette dynamique est portée par une succession d’avancées majeures issues de la physique, de la chimie et de la biologie moléculaire et cellulaire. Des algorithmes de plus en plus puissants permettent d’exploiter les grandes masses de données produites par ces différentes imageries. En complétant les travaux dans les domaines de la génomique et de la protéomique, ces développements technologiques et conceptuels contribuent à l’émergence de nouvelles activités de modélisation à différentes échelles du vivant. Cette démarche qui vise à l’intégration de niveaux croissants de complexité pour être pertinente, doit naturellement être interdisciplinaire.
L’objectif du GdR ImaBio pour les 5 ans à venir est de faire converger sur le plan conceptuel et technologique ces imageries pour réintégrer les quantifications moléculaires dans des approches prenant en compte les aspects physiologiques à l’échelle des organes et organismes, naturels ou reconstruits. Il est nécessaire pour cela de repenser nos méthodes d’imagerie, exploiter de nouveaux concepts émergents en physique et chimie et tirer parti de nouveaux modèles expérimentaux et théoriques permettant d’adresser les problématiques de la complexité de ces systèmes biologiques. Leurs résolutions nécessitent l’analyse et la fusion de données multi-dimensionnelles acquises à des fréquences élevées dans des conditions physiologiques et donc souvent bruitées. Cela implique le développement de nouvelles méthodes d’analyse et la manipulation de grandes masses de données multidimensionnelles. Sur le plan expérimental il sera nécessaire de tirer parti de la manipulation des mécanismes moléculaires et de l’environnement cellulaire grâce aux outils d’optogénétique et de microfluidique, de contrôle des surfaces ou encore de bioprinting. La complexité des systèmes étudiés impose de concevoir de nouvelles instrumentations en combinaison avec le développement d’approches in-silico de modélisation et simulation. Les niveaux de complexité adressés constituent à leur tour de véritables objets d’inspiration ou d’étude pour la physique et la chimie. Les résultats pourront permettre la conception de nouvelles approches bioinspirées. Le GdR ImaBio dispose des capacités nécessaires pour animer et dynamiser une large communauté (physique, instrumentation, biologie, chimie, mathématiques, informatique, …) autour de ces défis requérant des travaux de co-production interdisciplinaire où expérimentateurs et théoriciens s’alimentent mutuellement pour converger vers des avancées conceptuelles et technologiques. La participation au GdR d’un nombre croissant de partenaires industriels est aussi un facteur de dynamique et de transfert des connaissances sous forme d’instruments et applications.
Des verrous majeurs seront à dépasser dans les 5 ans au niveau des méthodes quantitatives de mesure en cellule et organes vivants jusqu’à l’imagerie en milieu épais diffusant (1), de l’augmentation de la résolution spatiale et temporelle de mesure (2), des analyses multi-modales et corrélatives, données bruitées et exploitation des grandes quantités de données obtenues (3), de la manipulation des mécanismes moléculaires en cellule et du contrôle de l’environnement cellulaire (4), de l’automatisation des acquisitions asservies par l’analyse de l’analyse (5), de la conception de nouveaux modèles d’interprétation (6). Cela nécessite un travail de rupture, reposant sur la complémentarité et la synergie de savoirs et savoir-faire au niveau expérimental et conceptuel.
Ces enjeux requièrent la mobilisation d’une communauté interdisciplinaire d’instrumentalistes, d’expérimentateurs et de théoriciens capables de tirer ensemble pleinement parti des dernières avancées en physique, chimie, mathématique et de leurs retombées dans les mesures et analyses. Cette mobilisation permettra des progrès technologiques et conceptuels qui participeront à une meilleure compréhension des grandes fonctions cellulaires (dynamique des réseaux de régulation et signalisation, contrôle de la mécanique d’organisation et développement tissulaire, communications cellulaires, réponses immunitaires, adaptation métabolique,…) dans le contexte de questions biologiques complexes à l’intérêt sociétal majeur (cancer, ischémie, maladie neurologique, réponse immunitaire, réparation tissulaire, biologie du développement, résistance fongique, …).
Les missions que nous souhaitons donner au groupement de recherche sont :
1) Fédérer la communauté interdisciplinaire d’expérimentateurs et théoriciens (physique, chimie, biologie, informatique, mathématique, instrumentation) participant au développement de l’imagerie pour l’étude des mécanismes du vivant, de la cellule aux organismes modèles et synthétiques.
2) Animer la recherche et le développement en imagerie, quantification, analyse, modélisation physico-mathématique et visualisation des mécanismes moléculaires, production et exploitation croisée des données, par la mise en place de groupes de travail et par le soutien aux collaborations entre équipes du GDR (bourses de stages interdisciplinaires en Master II et missions inter-équipes) et le soutien aux jeunes scientifiques.
3) Soutenir l’essaimage et la valorisation en travaillant au rapprochement entre académiques et industriels autour des nouveaux enjeux de développement des outils d’imagerie pour la biologie, notamment par l’animation d’un cercle de partenaires industriels.
4) Participer au transfert des savoir-faire dans les domaines de la biophotonique et de l’imagerie du vivant par la mise en place de formations interdisciplinaires (école thématique MiFoBio, journées de formations, …), de rencontres scientifiques, d’outils d’aide au transfert technologique vers les plateformes. Soutenir la diffusion des savoirs et outils vers des publics non académiques.
6) Produire un état des lieux et des prospectives du domaine pour l’Institut et plus largement le CNRS.
7) Contribuer en synergie avec les autres structures du domaine à la visibilité nationale et internationale de la communauté interdisciplinaire d’imagerie en biologie et biophotonique
Thématiques du GdR ImaBio :
Les thématiques du GdR sont organisées en 6 axes identifiés comme prioritaires par son conseil scientifique :
- Nouvelles imageries, optique et optimisation de contrastes et acquisition: “Voir sans perturber le vivant”
Phase et amplitude, holographie, imagerie de retardance (collagène dans les tissus), milieux diffusant, plasmonique, imagerie sans marquage (phase, optique non linéaire ONL, Raman stimulé, Raman comprimé, …) ; imagerie THz, imagerie multimodale non linéaire (bi-photon, génération de second et troisième harmonique SHG-THG, diffusion Raman anti-Stokes Cohérente CARS, diffusion Raman stimulée SRS, imagerie photo-acoustique, imagerie sans lentille, nouveaux détecteurs, tomographie en cohérence optique OCT.
- Bio-image informatics, Intelligence artificielle AI, analyse d’images multidimensionnelles, problèmes inverses: « Exploiter les images ».
Méthodes de fouilles de données multimodales/multi-échelles et d’extraction de connaissances, fusion de données en microscopies corrélatives, combinaison avec les données de spectrométrie de masse, visualisation augmentée multidimensionnelle, modélisation et simulation des mécanismes cellulaires, adaptation aux changements environnementaux, organisations multicellulaires et pluricellulaires
- Mesures dynamiques aux différentes échelles du vivant: approches expérimentales et théoriques, modélisation : « Quantifier et modéliser »
Dynamiques et interactions moléculaires, approches quantitatives, modélisations et simulations numériques, techniques spectroscopiques, fluctuation de fluorescence, Spectroscopie de Corrélation de Fluorescence FCS, suivi de particule unique SPT, spectroscopie par corrélation d’images ICS, imagerie en durée de vie de fluorescence FLIM, Transfert Résonnant d’Energie de Fluorescence FRET, imagerie interférométrique iScat, électrochimioluminescence, biosenseurs, coproduction théoriciens et expérimentateurs, nouveaux fluorophores, dynamique des membranes, signalisation, régulation, réorganisation de la chromatine.
- Imagerie et quantification à l’échelle nanométrique et études des assemblages supra moléculaires « résoudre et mesurer »
Super-résolution photonique, nouvelles sondes, préparation des échantillons et milieu d’observation, quantification, modélisation, microscopie électronique environnemental, CLEM, microscopie de fluorescence supercritique SAF, microscopie à contraste interférentiel en réflexion RICM, TIRF, polarisation, contrôle de la lumière, nanostructures photonique, mécanique moléculaire en cellule, plasticité membranaire et dynamique des récepteurs, interfaces cellulaires, biomécanique, synapse, architecture des machinerie moléculaire, relations hôtes/parasites, biofilms, virus,…
- Imageries des systèmes biologiques auto-organisés, de la cellule à l’individu. « Imagerie holistique du vivant »
Microscopie et imagerie à toutes les échelles, organes naturels ou assemblages synthétiques, organoïdes, organe on chip, milieux hétérogène, optique adaptative, microscopie par feuille de lumière, endoscopie in vivo, optique adaptative, microscopie par feuille de lumière, imagerie sans marquage, marquages multimodaux (fluorescence + métaux).
- Imagerie multimodale, contrôle et manipulation du vivant mesure physiques en cellule, automatisation : « voir et agir »
Mécanobiologie, forces, mesures mécaniques, quantification, traitement de données, micromanipulations, optogénétique, photolibération contrôlée de molécules, sonde chimicomécanique, imageries multimodales successives ou simultanées, couplage microscopie à force atomique AFM/Photonique, couplage avec les imageries profondes, bioprinting, microfluidique, Automatisation, asservissement, robotique, Intelligence Artificielle IA, analyse embarquée.
