Département PIV

Physique et Ingénierie pour le Vivant

Responsable : Annie Viallat

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

2022

Dynamics of Individual Red Blood Cells Under Shear Flow: A Way to Discriminate Deformability Alterations

Scott Atwell, Catherine Badens, Anne Charrier, Emmanuèle Helfer, Annie Viallat

Frontiers in Physiology 12 (2022)10.3389/fphys.2021.775584

First-Principle Coarse-Graining Framework for Scale-Free Bell-Like Association and Dissociation Rates in Thermal and Active Systems

Josip Augustin Janeš, Cornelia Monzel, Daniel Schmidt, Rudolf Merkel, Udo Seifert, Kheya Sengupta, Ana-Sunčana Smith

Physical Review X 12:031030 (2022)10.1103/PhysRevX.12.031030

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 9:1-12 (2022)10.3389/fphy.2021.750539

Longitudinal to Transverse Metachronal Wave Transitions in an In Vitro Model of Ciliated Bronchial Epithelium

Olivier Mesdjian, Chenglei Wang, Simon Gsell, Umberto D’ortona, Julien Favier, Annie Viallat, Etienne Loiseau

Physical Review Letters 129:038101 (2022)10.1103/PhysRevLett.129.038101

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 Physics 13:898558 (2022)10.3389/fimmu.2022.898558

Affinity driven ion exchange EG-OFET sensor for high selectivity and low limit of detection of Cesium in seawater

Tin Phan Nguy, Volkan Kilinc, Ryoma Hayakawa, Catherine Henry-De-Villeneuve, Jean-Manuel Raimundo, Yutaka Wakayama, Anne Charrier

Sensors and Actuators B: Chemical 351:130956 (2022)10.1016/j.snb.2021.130956

Lrrcc1 and Ccdc61 are conserved effectors of multiciliated cell function

Aude Nommick, Camille Boutin, Olivier Rosnet, Claire Schirmer, Elsa Bazellières, Virginie Thomé, Etienne Loiseau, Annie Viallat, Laurent Kodjabachian

Journal of Cell Science (2022)10.1242/jcs.258960

Stoichiometry Controls the Dynamics of Liquid Condensates of Associative Proteins

Pierre Ronceray, Yaojun Zhang, Xichong Liu, Ned Wingreen

Physical Review Letters 128:038102 (2022)10.1103/PhysRevLett.128.038102

A Rare Mutation in LMNB2 Associated with Lipodystrophy Drives Premature Cell Senescence

Alice-Anaïs Varlet, Camille Desgrouas, Cécile Jebane, Nathalie Bonello-Palot, Patrice Bourgeois, Nicolas Levy, Emmanuèle Helfer, Noémie Dubois, René Valero, Catherine Badens, Sophie Beliard

Cells 11:50 (2022)10.3390/cells11010050

2021

OC-0133 Dosimetric characterizations of a novel inorganic scintillating detector - HDR brachytherapy

S. B.C. Debnath, D. Tonneau, C. Fauquet, A. Tallet, A. Goncalves, M. Ferre, J. Darreon

Radiotherapy & Oncology 158:S99 (2021)10.1016/S0167-8140(21)06324-6

In situ plant materials hyperspectral imaging by multimodal scattering near-field optical microscopy

Anne Charrier, Aubin C Normand, Ali Passian, Philip Schaefer, Aude L. L. Lereu

Communications Materials 2:59 (2021)10.1038/s43246-021-00166-7

Spray Pyrolysis Synthesis of Pure and Mg-Doped Manganese Oxide Thin Films

Mohamed Amine Dahamni, Mostefa Ghamnia, Salah Eddine Naceri, Carole Fauquet, Didier Tonneau, Jean-Jacques Pireaux, Abed Bouadi

Coatings 11:598 (2021)10.3390/coatings11050598

Signal amplification of fiber integrated X-ray detector and energy independence

S.B.C. Debnath, J. Darreon, A. Tallet, A. Goncalves, D. Tonneau, C. Fauquet

IEEE Sensors Journal 1-1 (2021)10.1109/JSEN.2021.3091660

Dosimetric characterization of a small-scale (Zn,Cd)S:Ag inorganic scintillating detector to be used in radiotherapy

Sree Bash Chandra Debnath, Didier Tonneau, Carole Fauquet, Agnes Tallet, Anthony Goncalves, Julien Darreon

Physica Medica 84:15-23 (2021)10.1016/j.ejmp.2021.03.022

High resolution small‐scale inorganic scintillator detector: HDR brachytherapy application

Sree Bash Chandra Debnath, Marjorie Ferre, Didier Tonneau, Carole Fauquet, Agnes Tallet, Anthony Goncalves, Julien Darreon

Medical Physics (2021)10.1002/mp.14727

Signal Amplification of Fiber Integrated X-Ray Detector and Energy Independence

Sree Bash Chandra Debnath, Julien Darreon, Agnes Tallet, Anthony Goncalves, Didier Tonneau, Carole Fauquet

IEEE Sensors Journal 21:18793-18799 (2021)10.1109/JSEN.2021.3091660

Biomechanics as driver of aggregation of tethers in adherent membranes

Long Li, Mohammad Arif Kamal, Bernd Henning Stumpf, Franck Thibaudau, Kheya Sengupta, Ana-Sunčana Smith

Soft Matter 17:10101-10107 (2021)10.1039/d1sm00921d

Ligand Nanocluster Array Enables Artificial-Intelligence-Based Detection of Hidden Features in T-Cell Architecture

Aya Nassereddine, Ahmed Abdelrahman, Emmanuelle Benard, F. Bedu, Igor Ozerov, Laurent Limozin, Kheya Sengupta

Nano Letters 21:5606-5613 (2021)10.1021/acs.nanolett.1c01073

Influence of force volume indentation parameters and processing method in wood cell walls nanomechanical studies

Aubin C Normand, Anne Charrier, Olivier Arnould, Aude L. Lereu

Scientific Reports 11:5739 (2021)10.1038/s41598-021-84994-0

Thermoplasmonics of metal layers and nanoholes

Benoit Rogez, Zakaria Marmri, Franck Thibaudau, Guillaume Baffou

APL Photonics 6:101101 (2021)10.1063/5.0057185

Self-organization and shape change by active polarization in nematic droplets

Fabian Jan Schwarzendahl, Pierre Ronceray, Kimberly Weirich, Kinjal Dasbiswas

Physical Review Research 3:043061 (2021)10.1103/PhysRevResearch.3.043061

Integrin-Functionalised Giant Unilamellar Vesicles via Gel-Assisted Formation: Good Practices and Pitfalls

Kheya Sengupta, Mariem Souissi, Julien Pernier, Olivier Rossier, Gregory Giannone, Christophe Le Clainche, Emmanuèle Helfer

International Journal of Molecular Sciences 22:6335 (2021)10.3390/ijms22126335

On the control of dispersion interactions between biological membranes and protein coated biointerfaces

Kheya Sengupta, Robert Blackwell, Arnaud Hemmerle, Andreas Baer, Matthias Späth, Wolfgang Peukert, Drew Parsons, Ana-Sunčana Smith

Journal of Colloid and Interface Science 598:464-473 (2021)10.1016/j.jcis.2021.02.078

Nucleation landscape of biomolecular condensates

Shunsuke Shimobayashi, Pierre Ronceray, David Sanders, Mikko Haataja, Clifford Brangwynne

Nature 599:503-506 (2021)10.1038/s41586-021-03905-5

An Interactive micromanipulation station combined to a confocal XRF instrument : proof of concept and volume resolution

D. Tonneau, D. Renahy, S. Douillet, H. Maradj, C. Fauquet, F. Marchi

IEEEXplore Digital Library (2021)10.1109/MARSS49294.2020.9307924

Physical bioenergetics: Energy fluxes, budgets, and constraints in cells

Xingbo Yang, Matthias Heinemann, Jonathon Howard, Greg Huber, Srividya Iyer-Biswas, Guillaume Le Treut, Michael Lynch, Kristi L Montooth, Daniel J Needleman, Simone Pigolotti, Jonathan Rodenfels, Pierre Ronceray, Sadasivan Shankar, Iman Tavassoly, Shashi Thutupalli, Denis V Titov, Jin Wang, Peter J Foster

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 118:e2026786118 (2021)10.1073/pnas.2026786118

Financement

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

2017-2022
  • 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

  • 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)

  • ANR ‘RECAMECA’ (2019-2022)

  • NANOPTIX (ANR, 01/01/2019 to 06/30/2022)

  • ANR MicroCJ (2019-2021)

  • Prématuration AMIDEX (2019)

  • A*Midex International 'dvanced Photon Source pour la détection des Ondes Stationnaires de Surface sous radiation X' (2019-2021)

  • SPLEENMARK ANR  Markers of Spleen Function for Patient Management (2020-24)

  • FitRed AMIDEX transfert; Aide à la création de startup : Marqueur de l'aptitude des globules rouges à la microcirculation Bronchoclogdrain (2022-2024)

  • Immunobiomechanics IRP INP-CNRS 2022-27 Mechanobiology: collaboration France (CINaM/LAI) & Mexico (UNAM)

  • PI startup package CENTURI 2022-26 Measuring and modeling soft living matter

2023-

  • ANR  Natural and assisted airways drainage in COPD (2023-27)

    DNANobodies

  • ANR 2023-27 DNA-nanobody agents to interrogate and manipulate immune cell interfaces

  • RedEnuc ANR 2023-25 Mechanisms of terminal erythroide nucleation

  • Nanofilter Contrat industriel Idylle:Tech transfer 2023-24 Système microfluidique qui mime la filtration mécanique des globules rouges par la rate

  • Chaire d'excellence AMIDEX 2023-26 Mechano-technologies for Organoids

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 (Notre Dame University, Indiana, USA)
  • Ali Passian & Rubye Farahi (Oak Ridge National Laboratory, USA)
  • Yutaka Wakayama (NIMS, Japan)
  • Ana Smith (Uni-Erlangen, Germany)
  • Mostefa Ghamnia (LSMC laboratory, University Oran 1, Ben Bella, Algeria)
  • Saw HLA and Volker ROSE (Argonne National Laboratory, Center for Nanoscale Materials and Advanced Photon Source , Argonne, IL, USA)

National

  • Catherine Henry de Villeneuve (LPMC, Palaiseau)
  • Laurent Limozin and Pierre-Henri Puech (LAI, Marseille)
  • Gregory Gianonne (IINS, Bordeaux)
  • Christophe LeClainche (I2BC, Paris)
  •  Anthony Goncalves  (CRCM, Marseille)
  • Agnès Tallet and Julien Darreon (Paoli-Calmettes Institute, Marseille)
  • Thierry Grosjean (FEMTO-ST, Besançon, France)
  • Guillaume  Baffou (Institut Fresnel, Marseille)
  • Aude Lereu (Institut Fresnel, Marseille)
  • Catherine Badens (APHM, Marseille) Mécanique des biofluides actifs
  • Julien Favier (M2P2, Marseille) Mécanique des biofluides actifs
  • Pascal Chanez and Delphine Gras (CV2M, Marseille) Mécanique des biofluides actifs
  •  Vincent GRESSIER, François VIANNA-LEGROS, Christelle ADAM-GUILLERMIN (LMDN lab from IRSN)

Inter departmental (intra-CINaM)

Brevets

  • 1‘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.

Postdocs, thèses et stages

Offres de stages disponibles au niveau Master :  contacter le chercheur concerné par e-mail.