LABORATOIRE DE PHYSIQUE THEORIQUE DE LA MATIERE CONDENSEE

 

 

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Mon travail de recherche est théorique et à pour but de proposer des outils ou des modèles en général analytiques pour étudier le vivant et en particulier les processus physico-chimiques ayant lieu au sein de la cellule.

Physique des liquides: un modèle pour l’eau et les électrolytes

Le profil de champs électrostatique dans les organelles biologiques de dimension nanométrique est une donnée difficile à mesurer expérimentalement et pourtant fondamentale pour comprendre le transport d’ions en biologie cellulaire. L'eau est un solvant dipolaire fortement associé par la liaison hydrogène ce qui induit une non-localité dans les propriétés diélectriques du fluide. Cet aspect est en général négligé dans la modélisation continue du solvant - (modèle fondée sur la densité développé par Chandler et collaborateurs ou gaz de dipôles, développé par Orland et collaborateurs). Nous avons montré qu’un milieu diélectrique continu caractérisé par sa polarisation et une susceptibilité bien choisie génère des interactions entre objets macroscopiques mimant les forces hydrophobes mesurées expérimentalement. Nous avons ensuite proposé un modèle à deux champs couplés pour l’eau, la densité et la polarisation. Ce cadre théorique simple et analytique associé à une échelle de description nanométrique nous paraît être une première étape importante vers un modèle effectif pour les électrolytes nanoconfinés.

La modélisation de l’écorce cellulaire des eukaryotes

 La forme et les propriétés mécaniques d'une cellule eucaryote sont très largement déterminées par le cortex (écorce cellulaire), qui peut être vu schématiquement comme une fine couche d'un réseau de filaments interconnectés par des moteurs moléculaires. Le changement de conformation des moteurs initié par l'hydrolyse d'une molécule d'ATP induit une contrainte mécanique qualifiée de stress 'actif' sur le réseau de filaments. En absence d'ATP, le cortex peut être décrit comme un gel viscoélastique. Les matériaux biologiques se distinguent des matériaux passifs par un transfert d'énergie chimique en énergie mécanique qui a lieu de manière aléatoire au sein du matériau. Une théorie hydrodynamique effective « la théorie des gels actifs » a fourni un cadre efficace et élégant de description de ces systèmes. Je me suis concentrée sur l’étude de la déformation cellulaire aux temps courts, moins étudié que le comportement visqueux et ai développé des équations constitutives pour les matériaux biologiques élastiques. Ce cadre théorique a été validé lors d’une collaboration avec des biologistes du développement travaillant sur la cohésion des tissus progéniteurs - premiers tissus différenciés apparaissant au cours du développement - chez les vertébrés. Nous avons montré que les propriétés mécaniques du cortex varient significativement d’un type de cellule à l’autre. Dans une situation où il était admis que seules les molécules d’adhésion distinguent les différents feuillets cellulaires, la mise en évidence du rôle du cortex constitue une importante observation.

 Réseaux de réactions chimiques: détermination de mécanisme et étude des fluctuations 

Les fluctuations des systèmes in vivo brisent le théorème de fluctuation-dissipation. Quelle information est donc contenue dans les fonctions de corrélation de concentrations de molécules biochimiques, observables expérimentales traditionnellement utilisées pour estimer les paramètres d’un système réactif? Pour répondre à cette question, j’ai déterminé les équations de Langevin chimiques caractérisant la dynamique d’un système hors équilibre soumis à des bruits extrinsèques (non thermiques) en simplifiant l’équation maîtresse associée, suivant la démarche proposée par Gillespie (JCP 2000). Dans ce cadre, j’ai déterminé les conditions nécessaires pour que les fonctions de corrélation dépendent des propriétés dynamiques du système réactif et non des bruits extrinsèques

 

Publications

Publications

Journaux à comité de lecture

  • H Berthoumieux,Gaussian field model for polar fluids as a function of density and polarization: toward a model for water, arXiv (2017) 1711.02541
  • H. Berthoumieux, Fluctuations in reactive networks subject to extrinsic noise studied in the framework of the chemical Langevin equation, Phys. Rev. E, (2016), 94, 012310.
  • H. Berthoumieux and A. C. Maggs, Fluctuation-induced forces governed by the dielectric properties of water, a contribution to hydrophobic interactions , J Chem Phys., (2015), 143, 104501.
  • H. Berthoumieux, J-L. Maître, C-P. Heisenberg, E. K. Paluch, F. Jülicher and G.Salbreux,Active elastic thin shell theory for cellular deformation, New Journal of Physics (2014), 16, 065005.
  • J-L. Maître, H. Berthoumieux, S. F. G. Krens, G. Salbreux, F. Jülicher, E. Paluch, C-P. Heisenberg, La mécanique de l'adhésion cellulaire dans la gastrulation du poisson zèbre, Médecine sciences (2013), 29, 147-150.
  • J-L. Maître, H. Berthoumieux, S. F. G. Krens, G. Salbreux, F. Jülicher, E. Paluch, C-P. Heisenberg, Adhesion function in cell sorting by mechanically coupling the cortices of adhering cells, Science (2012), 338, 253-256.
  • A. Lemarchand, H. Berthoumieux, L. Jullien, C . Gosse, Chemical mechanism identification from frequency responce to small temperature modulation, J. Chem. Phys,116, 8455-8463, (2012).
  • K. Zrelli, T. Barilero, E. Cavatore, H. Berthoumieux, T. Le Saux, V. Croquette, A. Lemarchand, C Gosse, L. Jullien, Temperature modulation and quadrature detection for selective titration of two-state exchanging reactants, Anal. Chem, 83, 2476-2484 (2011).
  • K. Zrelli, T. Barilero, H. Berthoumieux, T. Le Saux, C. Gosse, A. Lemarchand and L. Jullien, Kinetic and Thermodynamic Characterisation by Heating in a Microfluidic Cell, Sensor Lett. 9, 2332 (2011).
  • H. Berthoumieux, A. C. Maggs, Collective dispersion forces in the fluid state, Europhys Lett., 91, 56006 (2010).
  • H. Berthoumieux, C. Antoine, A. Lemarchand, Determination of the six rate constants of a three-state enzymatic network and a noninvasive test of detailed balance, J. Chem. Phys., 131, 084106 (2009). Selected by the Virtual Journal of Biological Physics Research, Sep. 1, Vol. 18(5), 2009.
  • H. Berthoumieux, C. Antoine, A. Lemarchand, L. Jullien, Resonant response to temperature modulation for enzymatic dynamics characterization, Phys. Rev. E, 79, 021906 (2009). Selected by the Virtual Journal of Biological Physics Research, Feb. 15, Vol. 17(4), 2009.
  • H. Berthoumieux, A. Lemarchand, L. Jullien, Response to a temperature modulation as a signature of chemical mechanisms, Phys. Rev. E, 76, 056112 (2007). Selected by the Virtual Journal of Biological Physics Research, Nov. 15, Vol. 14(10), 2007.
  • A. Estévez-Torres, C. Gosse, T. Le Saux, J.-F. Allemand, V. Croquette, H. Berthoumieux, A. Lemarchand, and L. Jullien, Fourier analysis to measure diffusion coefficients and resolve mixtures on a continuous electrophoresis chip, Anal. Chem., 79, 8222 (2007).
  • H. Berthoumieux, A. Lemarchand, L. Jullien, Temporal modulation of a spatially periodic potential for kinetically governed oriented motion, J. Phys. Chem. B, 111, 2045 (2007).
  • J. Pilme, H. Berthoumieux, V. Robert, P. Fleurat-Lessard, Unusual bond formation in aspartic protease inhibitors : A theoretical study, Chemistry, 13, 5388, (2007).

Proceddings

  • K. Zrelly, T. Barilero, E. Cavatore, H. Berthoumieux, V. Croquette, A. Lemarchand, L. Jullien, T. Le Saux, C. Gosse, Temperature modulation and phase sensitive imaging to detect point mutations, Proceddings of the 14th International conference on miniaturized systems for chemistry and life sciences (2010).
  • K. Zrelli, T. Barilero, T. Le Saux, L. Jullien, H. Berthoumieux, A. Lemarchand, and C. Gosse, Thermal modulation and filtered video acquisition to image reactive species among non reactive ones, Proceedings of the 13th International conference on miniaturized systems for chemistry and life sciences. T. S. Kim, Y.-S. Lee, T.-D. Chung, N. L. Jeon, S.-H. Lee, K.-Y. Suh, J. Choo, Y.-K. Kim, eds., 1, 948 (2009).
  • A. Estevez-Torres, T. Le Saux, H. Berthoumieux, A. Georges, S. Fernandez, J.-F. Allemand, V. Croquette, A. Lemarchand, L. Jullien, and C. Gosse, Point mutation detection by on- chip diffusion coefficient measurement, Proceedings of the 11th International conference on miniaturized systems for chemistry and life sciences, J.-L. Viovy, P. Tabeling, S. Descroix, and L. Malaquin, eds., 1, 236 (2008).