Département PIV

Physique et Ingénierie pour le Vivant

Responsable : Kheya Sengupta

Présentation

Nous sommes un département de physique des systèmes biologiques et d'ingénierie pour la biologie, la santé et l'environnement.

Nous construisons des ponts entre les sciences physiques et biologiques et étudions l'interaction des objets biologiques avec leur environnement physique, en créant de nouveaux outils à cet effet.

Nos axes de recherche portent sur la compréhension de fonctions et mécanismes physiques fondamentaux dans le vivant et l’ingénierie de nano/microsystèmes pour des applications biologiques et médicales. La synergie entre physiciens de champs disciplinaires complémentaires, impliqués dans la valorisation et le fondamental, et la créativité qui en résulte sont des atouts forts de l’équipe. Le département développe trois thématiques principales.

Approche physique de l’organisation et de la dynamique des systèmes vivants.

Nous nous intéressons aux mécanismes de régulation cellulaire et à l’émergence et le maintien de fonctions physiologiques.

Nous étudions la mécanique d’objets et systèmes biologiques, de la macromolécule au tissu : les phénomènes d’adhésion cellulaire, la dynamique d’interfaces viscoélastiques et de biofluides tels que le sang et le mucus bronchique et, la mécanotransduction (transformation d’un signal mécanique à un signal biochimique).

Nous étudions les phénomènes d'auto-oraganisation dans les sytèmes vivants et les phénomènes collectifs actifs, en particulier  dans les systèmes biologiques ciliés et les organoïdes.

Nous étudions les interactions cellulaires et subcellulaires, impliquant notamment les éléments constitutifs des cellules (cytosquelette, noyau, membrane)

Physique de nanomatériaux.

Nous travaillons sur des couches lipidiques moléculaires organisées et leurs propriétés électrique, des nanofilms d'oxyde de métaux de transition pour la dépollution des eaux de l'industrie textile et des polymères à l'interface.

Un exemple typique est notre effort actuel pour imiter divers aspects des cellules (motifs nano-bio en surface, y compris des élastomères mous) ou des tissus (fentes spléniques) en utilisant des techniques de micro/nano-fabrication. Nous innovons dans les techniques d'imagerie ainsi que dans les outils d'analyse d'images et de données. Un autre axe majeur concerne les capteurs innovants : les nanocapteurs à rayons X pour la topographie et la cartographie chimique simultanées, les capteurs FET à base de lipides pour la détection ultra-sensible d'ions et de biomolécules et les capteurs photo-thermiques rapides pour la détection de réactions biochimiques par molécule unique.

Ingénierie/instrumentation pour la recherche, l’environnement, l’énergie et la médecine

Nous développons des méthodes d’analyse de données et d’interprétation Biosensors 5biologiques et des méthodes d’inférence de modèles stochastiques

Nous développons des méthodes numériques pour l’optimisation de matériaux et des méthodes de reconstitution in-vitro pour l’étude de processus biologiques.

Nous développons des techniques de microscopie optique avancée, et de nano-micro-environnements contrôlés (nanopatterning, fonctionnalisation de surface…)

Nous développons des capteurs ultrasensibles pour l’environnement,

Nous développons des marqueurs physiques, dispositifs et plateforme d’ingénierie optique pour la médecine (cancer, pneumologie, hématologie, maladies génétiques, immunologie), et des micro-dosimètres de rayonnements ionisants pour le cancer.

Techniques et Méthodes développées au Département.

Les techniques expérimentales

  • Les techniques de microfluidique couplées à la vidéomicroscopie optique, application de forces, rhéologie interfaciale
  • Les techniques de nano/microfabrication  (fonctionnalisation, structuration, patterning des surfaces par des molécules organiques)
  • Les techniques de reconstitution in-vitro d’objets et processus biologiques et de systèmes minimaux (membranes biologiques…)
  • Les techniques de manipulation, d’application et de détection de forces et à l’échelle nano-micro (pinces optiques, application de force à l’échelle micronique et submicronique…)
  • Techniques de microscopie optique avancée
  • Couplage de la spectroscopie à champ proche et de la spectroscopie de Rayons X.
  • Techniques de champ proche: imagerie, et mesures de force

Les méthodes et approches théoriques et numériques

  • Approches théoriques basées sur la physique statistique, les processus stochastiques, les phénomènes non linéaires, la physique de la matière molle et de la matière active
  • Simulation numérique de particules déformables et de biomatériaux
  • Analyses et interprétation de données (par exemple images, vitesses de particules (PIV), trajecteoires), inférence de modèles stochastiques

Publications

2025

Reply to Kaestner et al.: Activation of PIEZO1 is not significant for the passage of red blood cells through biomimetic splenic slits

Alexis Moreau, François Yaya, Huijie Lu, Anagha Surendranath, Anne Charrier, Benoit Dehapiot, Emmanuèle Helfer, Annie Viallat, Zhangli Peng

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 122 (2025)10.1073/pnas.2411469121

2024

Inferring geometrical dynamics of cell nucleus translocation

Sirine Amiri, Yirui Zhang, Andonis Gerardos, Cécile Sykes, Pierre Ronceray

Physical Review Research 6:043030 (2024)10.1103/physrevresearch.6.043030

Margination of artificially stiffened red blood cells

Revaz Chachanidze, Othmane Aouane, Jens Harting, Christian Wagner, Marc Leonetti

Physical Review Fluids 9:L091101 (2024)10.1103/PhysRevFluids.9.L091101

Cerenkov free micro-dosimetry in small-field radiation therapy technique

Sree Bash Chandra Debnath, Didier Tonneau, Carole Fauquet, Agnes Tallet, Julien Darréon

Physics in Medicine and Biology 69:125018 (2024)10.1088/1361-6560/ad51c6

Geometrical Characterization of an Inorganic Scintillator Detector for Proton Therapy Using a Micrometer-Scale Ion Beam

Kevin Lalanne, Sree Bash Chandra Debnath, Gaël Simonin, Didier Tonneau, Francois Vianna-Legros, Marc Rousseau, David Brasse, Julien Darréon, Carole Fauquet

IEEE Sensors Journal 24:20587-20594 (2024)10.1109/JSEN.2024.3401630

Geometrical Characterization of an Inorganic Scintillator Detector for Proton Therapy using a Micrometer Scale Ion Beam

Kevin Lalanne, S.B.C. Debnath, G. Simonin, D. Tonneau, François Vianna-Legros, Marc Rousseau, David Brasse, J. Darréon, Carole Fauquet

IEEE Sensors Journal 24:20587-20594 (2024)10.1109/JSEN.2024.3401630

Assessment of coupled bilayer-cytoskeleton modelling strategy for red blood cell dynamics in flow

V Puthumana, Paul G. Chen, M Leonetti, R Lasserre, M Jaeger

Journal of Fluid Mechanics 979:A44 (2024)10.1017/jfm.2023.1092

Morphodynamics of T-lymphocytes: Scanning to spreading

Kheya Sengupta, Pierre Dillard, Laurent Limozin

Biophysical Journal 123:2224-2233 (2024)10.1016/j.bpj.2024.02.023

Characterization of a high lateral resolution and high sensitivity dosimeter for proton beams using inorganic scintillator detector

Gaël Simonin, Sree Bash Chandra Debnath, Kévin Lalanne, Didier Tonneau, Sébastien Lavandier, Marc Rousseau, David Brasse, Julien Darreon, Carole Fauquet

IEEE Sensors Journal 1-1 (2024)10.1109/JSEN.2024.3502906

Drop deformation in a planar elongational flow: impact of surfactant dynamics

Julian Wailliez, Paul Regazzi, Anniina Salonen, Paul G Chen, Marc Jaeger, Marc Leonetti, Emmanuelle Rio

Soft Matter 20:8793-8803 (2024)10.1039/D4SM00642A

2023

Transit Time Theory for a Droplet Passing through a Slit in Pressure-Driven Low Reynolds Number Flows

Spencer W Borbas, Kevin Shen, Catherine Ji, Annie Viallat, Emmanuèle Helfer, Zhangli Peng

Micromachines 14:2040 (2023)10.3390/mi14112040

CNT effective interfacial energy and pre-exponential kinetic factor from measured NaCl crystal nucleation time distributions in contracting microdroplets

Ruel Cedeno, Romain Grossier, Nadine Candoni, Nicolas Levernier, Adrian Flood, Stéphane Veesler

The Journal of Chemical Physics 158:194705 (2023)10.1063/5.0143704

Breakups of Chitosan microcapsules in extensional flow

Revaz Chachanidze, Kaili Xie, Jinming Lyu, Marc Jaeger, Marc Leonetti

Journal of Colloid and Interface Science 629:445-454 (2023)10.1016/j.jcis.2022.08.169

Classification of red cell dynamics with convolutional and recurrent neural networks: a sickle cell disease case study

Maxime Darrin, Ashwin Samudre, Maxime Sahun, Scott Atwell, Catherine Badens, Anne Charrier, Emmanuèle Helfer, Annie Viallat, Vincent Cohen-Addad, Sophie Giffard-Roisin

Scientific Reports 13:745 (2023)10.1038/s41598-023-27718-w

Curvature gradient drives polarized tissue flow in the Drosophila embryo

Emily W Gehrels, Bandan Chakrabortty, Marc-Eric Perrin, Matthias Merkel, Thomas Lecuit

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 120 (2023)10.1073/pnas.2214205120

Enhanced cell viscosity: a new phenotype associated with lamin A/C alterations

Cécile Jebane, Alice-Anaïs Varlet, Marc Karnat, Lucero Hernandez- Cedillo, Amélie Lecchi, Frédéric Bedu, Camille Desgrouas, Corinne Vigouroux, Marie-Christine Vantyghem, Annie Viallat, Jean-François Rupprecht, Emmanuèle Helfer, Catherine Badens

iScience 26:107714 (2023)10.1016/j.isci.2023.107714

Swirling of vesicles: Shapes and dynamics in Poiseuille flow as a model of RBC microcirculation

Jinming Lyu, Paul G. Chen, Alexander Farutin, Marc Jaeger, Chaouqi Misbah, Marc Leonetti

Physical Review Fluids 8:L021602 (2023)10.1103/PhysRevFluids.8.L021602

Probing mechanical interaction of immune receptors and cytoskeleton by membrane nanotube extraction

Fabio Manca, Gautier Eich, Omar N’dao, Lucie Normand, Kheya Sengupta, Laurent Limozin, Pierre-Henri Puech

Scientific Reports 13:15652 (2023)10.1101/2022.09.15.508080

Physical mechanisms of red blood cell splenic filtration

Alexis Moreau, François Yaya, Huije Lu, Anagha Surendranath, Anne Charrier, Benoit Dehapiot, Emmanuèle Helfer, Annie Viallat, Zhangli Peng

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (2023)10.1101/2023.01.10.523245

Talin and kindlin cooperate to control the density of integrin clusters

Julien Pernier, Marcelina Cardoso Dos Santos, Mariem Souissi, Adrien Joly, Hemalatha Narassimprakash, Olivier Rossier, Grégory Giannone, Emmanuèle Helfer, Kheya Sengupta, Christophe Le Clainche

Journal of Cell Science 136:jcs260746 (2023)10.1242/jcs.260746

Two steps forward – and one step back?

Pierre Ronceray

Journal Club for Condensed Matter Physics (2023)10.36471/jccm_July_2023_02

Analytical theory for a droplet squeezing through a circular pore in creeping flows under constant pressures

Zhengxin Tang, François Yaya, Ethan Sun, Lubna Shah, Jie Xu, Annie Viallat, Emmanuèle Helfer, Zhangli Peng

Physics of Fluids 35:082016 (2023)10.1063/5.0156349

Mechanical characterization of core-shell microcapsules

Kaili Xie, Marc Leonetti

Comptes Rendus. Mécanique 351:1-20 (2023)10.5802/crmeca.148

Local response and emerging nonlinear elastic length scale in biopolymer matrices

Haiqian Yang, Estelle Berthier, Chenghai Li, Pierre Ronceray, Yu Long Han, Chase Broedersz, Shengqiang Cai, Ming Guo

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 120 (2023)10.1073/pnas.2304666120

2022

Characterization of Some Physical and Photocatalytic Properties of CuO Nanofilms Synthesized by a Gentle Chemical Technique

Soumia Aroussi, Mohamed Amine Dahamni, Mostefa Ghamnia, Didier Tonneau, Carole Fauquet

Condensed Matter 7:37 (2022)10.3390/condmat7020037

Programming Directed Motion with DNA-Grafted Particles

Emily W Gehrels, W. Benjamin Rogers, Zorana Zeravcic, Vinothan N Manoharan

ACS Nano 16:9195-9202 (2022)10.1021/acsnano.2c01454

Physics of Organelle Membrane Bridging via Cytosolic Tethers is Distinct From Cell Adhesion

Mohammad Arif Kamal, Josip Augustin Janeš, Long Li, Franck Thibaudau, Ana-Sunčana Smith, Kheya Sengupta

Frontiers in Physics 9:750539 (2022)10.3389/fphy.2021.750539

May the force be with your (immune) cells: an introduction to traction force microscopy in Immunology

Farah Mustapha, Kheya Sengupta, Pierre-Henri Puech

Frontiers in Immunology 13:898558 (2022)10.3389/fimmu.2022.898558

Financement

 Physique et nano-micro Ingénierie pour le Vivant 1 Sources et sondes ponctuelles 2

2023-2025

  • ANR PRC: MultiPhysC2M - Multiphysics of confined cell migration (2025-2028)
  • ANR JCJC: N-EDEV - Non-equilibrium fluctuations as drivers of tissue fluidization during embryonic development (2025-28)
  • ANR PRC: AMPLI - Amplification du potentiel de surface par la réorientation du moment dipolaire moléculaire induit à longue distance
  • ANR PRC: SOCA - Suspensions de capsules souples
  • ANR PRCI France/Germany: ActFun - Rôle des fluctuations actives des membranes dans la régulation de fonctions biologiques
  • ERC: SuperStoc - Super-resolved stochastic inference: learning the dynamics of soft biological matter (2023-2028)
  • ANR PRCE with Rheonova company: BronchoClogDrain - Natural and assisted airways drainage in COPD (2023-27)
  • ANR PRC: DNAnonobodies - DNA-nanobody agents to interrogate and manipulate immune cell interfaces (2023-27)
  • ANR PRCI France/U.S.A: RedEnuc - Mechanisms of terminal erythroide nucleation (2023-26)
  • Contrat industriel Idylle:Tech transfer: Nanofilter - Système microfluidique qui mime la filtration mécanique des globules rouges par la rate (2023-24)
  • Chaire d'excellence AMIDEX: Mechano-technologies for Organoids (2023-26)

2017-2022

  • Immunobiomechanics IRP INP-CNRS:  Mechanobiology: collaboration France (CINaM/LAI) & Mexico (UNAM) (2022-27)
  • PI startup package CENTURI: Measuring and modeling soft living matter (2022-26)
  • AMIDEX transfert; Aide à la création de startup : FitRed - Marqueur de l'aptitude des globules rouges à la microcirculation (2022-2024)
  • ANR: SPLEENMARK - Markers of Spleen Function for Patient Management (2020-24)
  • A*Midex International 'dvanced Photon Source pour la détection des Ondes Stationnaires de Surface sous radiation X' (2019-2021)
  • ANR ‘RECAMECA’ (2019-2022)
  • NANOPTIX (2019 -2022)
  • ANR MicroCJ (2019-2021)
  • Prématuration AMIDEX (2019)
  • ECO (Academy of Excellence, A*MIDEX) (2018-2021)
  • AMIDEX ”NORMAL PCW”  (2018-2021)
  • AMIDEX ”Macbio”  (2018-2021)
  • ANR: “Ultra-high throughput sequencing by synchronized synthesis” (2018-2021)
  • A*Midex Interdisciplinarité ‘MecaLam’ (2018-2021)
  • X-R2P2 (DOC2AMU PhD grant, Cofunded by Europe, PACA District Council, In Excellence A*MIDEX)
  • Prématuration CNRS (2017-2019)
  • Région PACA Projet exploratoire ‘BioMimWASH’ (2017-2018)
  • ANR TMOL “SENSEI” (2017-2020)

Équipements

Physique et nano-micro Ingénierie pour le Vivant 2

  • Photo luminescense : excitation with cw He-Cd laser (10 mW, Gaussian TEM00 mode). Spectro resolution of 21 nm/mm of slit aperture
  • Micro-XRF analysis: Rh target X-ray source, lateral resolution 20 µm, total X-ray photon flux within the spot area of 2.109 photons/s, EDX SDD detector from Brücker (X-flash)
  • AFM
  • Electrical measurement platform
  • Confocal microscope
  • TIRF and RICM microscopy
  • Langmuir Film Balance
  • Microfluidics combined with high-speed videomicroscopy
  • Optical microscopes equipped with temperature and CO2 control
  • Optical microscope (bright field, phase contrast, epifluorescence) combined with Atomic Force Microscopy (AFM) and optical tweezers (in construction)

Collaborations

International

  • Zhangli Peng (University of Illinois at Chicago, USA)
  • Peng Ji (Northwestern University, Chicago, USA)
  • Ali Passian & Rubye Farahi (Oak Ridge National Laboratory, USA)
  • Yutaka Wakayama (NIMS, Japan)
  • Ana Smith (University of Erlangen, Germany)
  • Mostefa Ghamnia (LSMC laboratory, University Oran 1, Ben Bella, Algeria)
  • Saw Hla & Volker Rose (Argonne National Laboratory, Center for Nanoscale Materials and Advanced Photon Source, USA)

National

  • Rachele Allena, Laboratoire Jean Alexandre Dieudonné (LJAD), Université Côte d'Azur, Nice
  • Slimane Ait-Si-Ali, Epigénétique et Destin Cellulaire (EDC), CNRS-Université Paris Cité, Paris
  • Jean-Baptiste Manneville et Sylvie Hénon, Matière et Systèmes Complexes (MSC), CNRS-Université Paris Cité, Paris
  • Catherine Henry de Villeneuve (LPMC, Palaiseau)
  • Anthony Goncalves (CRCM, Marseille)
  • Agnès Tallet & Julien Darreon (Paoli-Calmettes Institute, Marseille)
  • Thierry Grosjean (FEMTO-ST, Besançon)
  • Guillaume  Baffou (Institut Fresnel, Marseille)
  • Aude Lereu (Institut Fresnel, Marseille)
  • Catherine Badens (APHM, Marseille)
  • Julien Favier (M2P2, Marseille)
  • Laurent Limozin (LAI, Marseille)
  • Pierre-Henri Puech (LAI, Marseille)
  • Pascal Chanez et Delphine Gras (CV2M, Marseille)
  • Vincent Gressier, François Vianna-Legris, Christelle Adam-Guillermin (LMDN lab from IRSN)

Inter departmental (intra-CINaM)

Past Collaborators

  • Christophe Le Clainche (I2BC, Paris)
  • Gregory Gianonne (IINS, Bordeaux)

Brevets

  • Nano−scale stimulating substrates

Inventeurs: K. Sengupta, E. Benard, I. Ozrov, F. Bedu, H. Dallaporta, N° of deposition/publication: FR1853414 (2018), WO/2019/202260 (2019).

 

  • Method and device for determining red blood cells deformability

Inventeurs: A. Viallat, S. Atwell, E. Helfer, A. Charrier, C. Badens. Application N°EP18305914.6, 10 juillet 2018.

 

  • Amphiphilic molecules layers

Inventeurs: A. Charrier, J.M Raimundo, A. Kenaan, S. Lavandier. N° of publication: PCT/EP2016/074569

 

  • Transistor à effet de champ pouvant notamment être utilisé comme détecteur et procédé de fabrication de ce détecteur

Inventeurs: A. Charrier, Tuyen Nguyen Duc, Hervé Dallaporta. N° of publication: WO/2013/083490; EP 2 788 747 B1

 

  • Device to detect the fixation of a target object on a probe object immobilized on a solid substrate and detection process

Inventeurs: A. Charrier, F. Thibaudau. (FR2873818, WO/2006/021716). N° of deposition/publication: 0451747. Publication date: 02.03.2006.

Emploi, Postdocs, thèses et stages

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