Rapport du comité d'experts

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1 Section des Unités de recherche Rapport du comité d'experts Unité de recherche : Laboratoire d Optique et de Biosciences (LOB) UMR 7645 de l'ecole Polytechnique février 2008

2 Section des Unités de recherche Rapport du comité d'experts Unité de recherche : Laboratoire d Optique et de Biosciences (LOB) UMR 7645 de l'ecole Polytechnique février 2008

3 Rapport du comité d'experts L'Unité de recherche : Nom de l'unité : Laboratoire d Optique et de Biosciences (LOB) Label demandé : UMR N si renouvellement : 7645 Nom du directeur : M. Jean-Louis MARTIN Université ou école principale : Ecole Polytechnique Autres établissements et organismes de rattachement : INSERM CNRS Date(s) de la visite : décembre

4 Membres du comité d'évaluation Président : Mme Catherine ROYER, INSERM Montpellier Experts : M. Brahim LOUNIS, Université de Bordeaux M. Stephan HAACKE, Université de Strasbourg Mme Fabiola TERZI, INSERM, Necker Paris M. Jean Louis COUTAZ, Université de Savoie M. Vincent CROQUETTE, CNRS ENS Paris Expert(s) représentant des comités d évaluation des personnels (CNU, CoNRS, CSS INSERM, représentant INRA, INRIA, IRD ) : M. Pierre GILLIOT, CNRS Strasbourg, CoNRS section 04 Observateurs Délégué scientifique de l'aeres : M. Claude LECOMTE Représentant de l'université ou école, établissement principal : M. Michel BLANC, Directeur de la Recherche de l Ecole Polytechnique Représentant(s) des organismes tutelles de l'unité : Mme Josiane POGGIOLI, Chargée de mission Evaluation INSERM M. Christian CHARDONNET, DSA MPPU CNRS 3

5 Rapport du comité d'experts 1 Présentation succincte de l'unité Le Laboratoire d Optique en Biosciences, dirigé par Jean-Louis Martin, est une unité mixte CNRS, INSERM et Ecole Polytechnique. Implanté dans des locaux de l Ecole Polytechnique, le LOB est composé de 12 chercheurs EPST (3 INSERM, et 8 CNRS), ainsi que de 6 ITA (2 INSERM et 4 CNRS). Un enseignant-chercheur Polytechnique se joindra à l unité en janvier, tandis qu un chercheur CNRS quittera l unité et une petite équipe (1 CNRS et 1 MCU) y a demandé son affectation. Bien que composé majoritairement de chercheurs issus de la physique, le rattachement primaire du LOB à l Ecole Polytechnique est au Département de Biologie, avec un rattachement secondaire au Département de Physique. Au CNRS leur rattachement primaire est au Département MPPU. L unité compte 12 chercheurs (dont 1 ES), tous publiants, tous HDR, 9 ITA, 10 post-doctorants et 12 doctorants, allocataires de l Ecole Polytechnique (ou autre financement). 19 thèses ont été soutenues durant le dernier quadriennal. Le taux d abandon est nul. 2 Déroulement de l'évaluation Cette évaluation s'appuie sur les documents écrits (rapport administratif, rapport scientifique, fiches individuelles) et une visite de deux jours comprenant, un exposé préliminaire de la direction, des exposés "faits marquants" par les membres du laboratoire, les visites des équipes par les experts, une rencontre avec les représentants du personnel, l'exposé de prospective et la discussion avec les tutelles (Directrice scientifique adjointe et Déléguée régionale du CNRS, Président et Directeur d'ufr de l'université). Nous remercions le directeur, l'équipe de direction, et l'ensemble des contributeurs pour la qualité des documents fournis et l'excellente organisation de la visite. 3 Analyse globale de l unité, de son évolution et de son positionnement local, régional et européen Les études menées par les chercheurs de cette unité se situent à l interface entre la physique, et en particulier l optique laser et la spectroscopie, et la biologie. Historiquement, les travaux de l unité ont été centrés sur la caractérisation des mécanismes d action des protéines hémiques et/ou à transfert d électrons en utilisant des approches laser pompe-sonde avec une compétence internationalement reconnue dans le domaine des impulsions et détection très rapides (femtosecondes), nécessaires à la compréhension de tels systèmes. Aujourd hui le laboratoire est organisé autour de 4 thèmes dont celui mentionné ci-dessus. Se fondant sur leur grande expertise en optique, impulsions rapides et effets non-linéaires, les travaux du laboratoire se sont étendus aux applications cellulaires et tissulaires, avec le développement d un grand nombre de nouvelles approches en microscopie optique appliquées à des questions fondamentales en biologie, ainsi qu à un certain nombre de sujets en santé humaine. Connexe à ce thème microscopies, un projet s est développé autour de la recherche et caractérisation de nouveaux nanoémetteurs. Afin de mieux appréhender des problèmes émergeants en biologie systémique et réponses adaptatives, le LOB s est doté d un groupe de chercheurs et ITA en biologie/biochimie. Il est à noter une synergie très productive entre ce groupe et les chercheurs impliqués dans l étude des biomolécules par impulsions rapides. La qualité de la production scientifique de l unité est exemplaire, avec ~140 publications dans les derniers 4 années portant sur les mécanismes de la fonction du vivant, ainsi que sur des développements de nouvelles approches. Toutes leurs publications sont dans des journaux de très bonne qualité, dont une grande proportion 4

6 dans des journaux d excellence. Les forces de l unité, et leur reconnaissance considérable au niveau national et international, résident dans leur très haut niveau de savoir faire en optique laser rapide et leurs connaissances des systèmes hémiques ou à transfert d électrons. Plus récemment ils se sont positionnés aussi parmi les meilleurs laboratoires mondiaux en microscopies non-linéaires. Enfin, les travaux du groupe de biologie des systèmes adaptatifs ont aussi eu une reconnaissance de très haut niveau international avec la découverte d une nouvelle famille essentielle d enzymes bactériennes, cibles potentielles de développement thérapeutique. Les projets de l unité s inscrivent dans la continuité de leurs travaux depuis 4 ans. Dans certains cas il s agit de réaliser des applications biologiques avec des approches innovantes développées lors du dernier quadriennal ou encore d utiliser des approches plus classiques sur des systèmes biologiques nouvellement mis à jour. Enfin, certains projets impliquent le développement de nouvelles techniques (e.g., microscopie térahertz). Comme toute science innovante, ces projets comportent des éléments de risque, qui, étant donné les résultats du dernier quadriennal, ne constituent pas une cause d'inquiétude. Le comité note le haut niveau des compétences techniques des ITA du laboratoire, qui n est pas en correspondance avec leur grade de technicien. Il existe un danger pour le laboratoire de perdre ces compétences par concours externe ou migration vers le privé. Au terme du prochain quadriennal, le LOB sera confronté à un changement de Directeur. Son remplacement constitue une étape important pour le laboratoire qu il a fondé. Bien que prématurée, la réflexion actuelle tend vers le recrutement d un directeur potentiel venu de l extérieur. Il est aussi à noter qu à l échéance de 2011, l Ecole Polytechnique aura agrandi le Département de Biologie avec 6-7 nouvelles équipes et 2000 m 2 de nouveaux laboratoires, orientés prioritairement, mais pas exclusivement, vers la biologie cellulaire. Il paraît nécessaire au comité que le LOB joue un rôle important dans ce nouveau département, et qu'il participe pleinement à la définition des thématiques qui y seront étudiées. Les évolutions futures du LOB se feront dans ce contexte, et nécessiteront un accompagnement étroit par ses trois organismes de tutelle. Les chercheurs de l unité ont une forte participation dans l enseignement, intervenant dans 4 parcours de masters. Le laboratoire compte en moyenne un étudiant en thèse pour chaque chercheur permanent. Les doctorants semblent très satisfaits de leur formation dans le laboratoire, de l'encadrement de leurs directeurs de thèse, ainsi que leurs conditions de travail, et globalement satisfaits des opportunités de formation liées à l Ecole Doctorale de Polytechnique. L insertion des doctorants issus du laboratoire dans la vie active ne semble pas poser de problème, car ils intègrent des programmes de recherche dans le privé (35%) ou poursuivent leur formation avec des stages postdoctoraux dans des laboratoires de renom, le plus souvent à l étranger. 4 Analyse équipe par équipe et par projet Thème 1. Mécanismes adaptatifs dans des systèmes microbiens Le groupe consiste en 3 chercheurs (2 DR et 1 MCU) et 3 ITA. Le domaine de recherche de ce groupe se situe en microbiologie/biochimie/bioinformatique, orienté vers l étude des protéines impliquées dans l adaptation des procaryotes. Trois types de systèmes procaryotes sont abordés par le groupe : des protéines senseurs de condition hypoxiques et lumineuses, une nouvelle famille de thymidylate synthases qui régule la production de l ADN et donc la croissance et même peut-être la taille du génome, et enfin, des enzymes intervenant dans la réplication et la réparation de l ADN. La description détaillée des mécanismes enzymatiques de la nouvelle famille de thymidylate synthases chez des bactéries pathogènes a pour but de les valider comme cible thérapeutique. Basées à la fois sur la mutagénèse dirigée qui a permis d identifier le site actif, et de l enzymologie afin de déterminer le mécanisme, ces travaux ont donné lieu à plusieurs publications de très haut niveau (Science, PNAS, JBC) et se prolongent par une recherche d inhibiteurs en collaboration avec un industriel et un brevet. Ce groupe a aussi étudié deux protéines bactériennes, senseurs d oxygène. FixL et Dos ont été clonées et purifiées. Comme nombre de protéines fixatrices d oxygène, ces protéines comportent une hème, ce qui a permis une très bonne synergie avec les physiciens travaillant dans le thème des impulsions rapides et des expériences pompe-sonde afin de décrire les mécanismes d action de ces protéines, ainsi que des oxidases terminales. Ces travaux ont aussi donné lieu à de nombreuses publications de haut niveau. 5

7 Les projets de ce groupe se déclinent autour des trois thèmes (protéines senseurs, ThyX et réplication de l ADN). Pour le premier thème, les études porteront sur les mécanismes de transduction du signal intra et inter-protéique. Pour le second, l effort portera essentiellement sur la description fine des mécanismes réactionnels et la recherche d inhibiteurs et pour le troisième thème sur la réplication et la réparation de l ADN. Ce groupe a choisi des systèmes d études biologiques hautement relevants et particulièrement bien adaptés aux compétences de leurs collègues physiciens du LOB. Leurs travaux se situent à un niveau d excellence indiscutable et ils jouent un rôle essentiel dans l unité. Ce degré de coopération d équipes de biologie et de physique est assez rare, et mérite d être souligné. Leur projet pour le prochain quadriennal est bien construit et basé encore sur une forte synergie entre la biologie et la physique. Les résultats attendus seront de nature fondamentale, mais aussi appliquée et impliquent une approche encore plus systémique. Thème 2 «Internal Protein Dynamics Studied by Femtosecond Spectroscopy» Cette équipe utilise les sources lasers femtosecondes pour étudier la dynamique électronique et structurelle de protéines avec pour but d élucider les mécanismes photo-chimiques ou physiques qui régissent leur fonctionnement à l échelle atomique. De nouvelles méthodes expérimentales sont également développées tant au niveau de la mise en forme des impulsions ultra-rapides qu au niveau de leur détection. L équipe s est fait un nom dans la communauté internationale grâce, entre autres, à ses travaux sur les protéines à base de hèmes (myoglobine, cytochrome c (oxidase)). L équipe, qui compte l équivalent de 7,6 chercheurs à temps plein, a publié 58 papiers entre 2002 et 2007, en général dans des journaux très reconnus. Parmi ces résultats on peut citer, sans ordre de priorité : la clarification du fonctionnement et du chemin de transfert d électron dans la DNA photolyase, la détermination de la vitesse du transfert d électrons inter-hèmes dans l intérieur hydrophobe de la cytochrome c oxidase (CcO), l observation du transfert électronique entre un Fe et son Cu voisin dans CcO, la relation entre la fixation du NO par le système modèle FiXL et son activation fonctionnelle, l utilisation de «nano-triggers» moléculaires pour imiter le NADPH et son action sur la NO-synthase afin de synchroniser optiquement le transfert de charge, et finalement la mise en évidence d un changement du moment dipolaire instantané suivi de cohérences vibrationnelles du rétinal dans une rhodopsine modèle. Du côté des développements instrumentaux, la technique «CPU» (IR Spider) permet de caractériser amplitude et phase d une impulsion femtoseconde IR avec une sensibilité inégalée. Elle a été appliquée à l étude du CcO et sera mise à profit dans de nouvelles expériences pour lesquelles la mise en forme spectro-temporelle des impulsions est un paramètre clé (dissociation du CO dans HbCO par ascension vibrationnelle). Le nouveau spectromètre Raman a mis en évidence que la fixation de O 2 dans le senseur FixL est accomplie en moins d une picoseconde. Cet instrument est complémenté par le montage de dichroïsme circulaire fs qui a été validé par des expériences originales sur MbCO et le bi-naphtol. Cette technique est délicate à réaliser, en particulier dans le proche-uv ( nm) où elle est destinée à l étude des changements (photo-induits) de la structure secondaire de petits peptides modèles. Toute la théorie nécessaire à la compréhension et à l'analyse des mesures de dichroïsme est développée parallèlement. Des impulsions de 300 fs ont été générées dans le domaine des rayons X (Cu K α ), avec une intensité suffisante pour mesurer une figure de diffraction statique d un cristal de lysozyme. Les projets sont ambitieux et visent à capitaliser sur les développements techniques. L ensemble des questions adressées autant sur les protéines à base d hèmes que les protéines photo-activables ont une bonne pertinence biologique. L utilisation astucieuse de la micro-fluidique pour l étude des cinétiques µs de la sgc est une nouvelle ouverture prometteuse aussi bien que l utilisation des «nano-triggers» pour l étude des senseurs d oxygène. La spectroscopie multi-dimensionnelle IR combinée à la CPU sera également un outil puissant et permettra de déceler des couplages d oscillateurs et comment ceux-ci évoluent en fonction des changements structurels ultra-rapides. L étude de la dynamique structurale par diffraction de rayons X femtoseconde est un projet très ambitieux qu il faut poursuivre, l enjeu étant de déceler des changements structurels extrêmement faibles associés par exemple à l isomérisation du chromophore de la PYP. Pour résoudre les délicates questions qui se posent, telles que la capacité de photoconversion du cristal, il serait judicieux de chercher des collaborations 6

8 extérieures, par exemple avec des experts de la cristallographie de mélanges d espèces, pour étayer le projet. Une fois sa mise au point achevée, il faudra certainement prospecter les autres applications (chimie, physique des matériaux ) de cet appareil, très compétitif en terme de compacité et de coût par rapport aux très gros équipements concurrents que sont les sources de rayonnement synchrotron et les lasers à électrons libres. Quant à l étude du repliement photo-induit de peptides modèles par CD, il faudra démontrer que la mesure des évènements à l'échelle picoseconde est absolument nécessaire pour comprendre les phénomènes, sinon l'équipe devra faire porter ses efforts sur la mise en œuvre de méthodes nano- voire microseconde qui semblent être prometteuses au vu des échelles de temps attendues. Thème 3 Advanced Microscopies and Tissue Physiology Le LOB développe une activité forte dans le thème des nouvelles technologies de l'imagerie. Son expertise en laser femtoseconde est un atout indéniable dans les microscopies multi-photonique, comme celles utilisant la génération de second et du troisième harmonique. La qualité des images 3D présentées et le nombre de microscopes équipés de ces possibilités ont fortement impressionné le comité. Les équipes nous ont aussi convaincus par leur dynamisme et l inventivité des montages expérimentaux. Le comité a également apprécié la pertinence des thématiques biologiques étudiées avec ces nouveaux microscopes. L application du second harmonique à la détection du collagène et des fibroses dans lequel il est impliqué est très judicieux surtout en combinaison avec les techniques de fluorescence à deux photons. L application de ce type de détection semble prometteuse dans la caractérisation des fibroses ainsi que dans l analyse de la peau. Les collaborations sur ces thématiques ont été appréciées. L étude des origines du contraste in vivo observé par la génération du troisième harmonique est également très intéressante et offre la possibilité de visualiser les cellules d un organisme sans avoir besoin d y ajouter de sonde. Le comité a également apprécié l équilibre entre les études fondamentales des mécanismes et les applications biologiques. Ainsi la collaboration avec l Institut Curie a permis de confirmer l existence d'un couplage entre les tensions mécaniques dans un embryon et l expression génétique gouvernant la croissance cellulaire. Pour ce faire l équipe du LOB a combiné la possibilité de détruire localement quelques cellules par photo-insolation impulsionnelle avec l imagerie de l embryon en 3D. Le projet d imagerie utilisant les ondes térahertz générées à l aide d un laser femtoseconde a séduit le comité par son originalité. Les progrès méthodologiques en particulier l amélioration de la résolution par le biais d ouvertures plus petites que la longueur d onde représente des avancées significatives. Le comité espère que cette nouvelle technique d imagerie basée pour l instant sur la mesure de concentrations ioniques locales apportera des résultats biophysiques nouveaux. L'association des techniques THz aux autres techniques d'imagerie bien maîtrisées au laboratoire, comme la génération de second harmonique, pourrait être le cas échéant très fructueuse. L évolution de ces différents projets allie harmonieusement les développements expérimentaux aux applications biophysiques. L équilibre entre les nouvelles techniques de mesures avec les thématiques biophysiques beaucoup plus appliquées paraît très judicieux. Le comité a noté avec intérêt l ajustement de la phase spectrale des pulses laser large bande afin de faire une spectroscopie non linéaire sélective, ainsi que l utilisation de l optique adaptative pour palier aux effets d aberration induite par les propriétés structurales des milieux biologiques. Thème 4. Nanoémetteurs et suivi de biomolécules individuelles Cette thématique de recherche a débuté en Elle concerne le développement d un nouveau type de sondes luminescentes pour l imagerie à l échelle de la molécule individuelle. Il s agit de nanoparticules à base d oxyde dopé par des ions lanthanides présentant une très longue durée de vie d émission, une photostabilité accrue, et une absence d intermittence de luminescence. La synthèse et la fonctionnalisation de ces nanoparticules sont réalisées en collaboration avec une équipe de chimie du solide du Laboratoire de Physique de la Matière Condensées à l Ecole Polytechnique. Le premier résultat important obtenu sur cette thématique concerne la mise au point d une méthode originale de fonctionnalisation des nanoparticules basée sur le greffage de groupements guanidine. Cette méthode a 7

9 permis de cibler avec une bonne affinité et spécificité les canaux sodiques qui ont pu ainsi être détectés et imagés à l échelle du canal individuel. A la suite de cette première démonstration, un travail très approfondi a été mené sur la caractérisation optique de ces nanoparticules et sur l étude de leurs propriétés photophysiques. Parmi les résultats obtenus, ont peut citer le développement d une méthode permettant d estimer la taille des nanoparticules à partir de leur luminosité, la réalisation d expériences de FRET entre ces particules et des fluorophores organiques ainsi que l étude des mécanismes de photoblanchiment qui sont liés à la réduction des ions Eu 3+. Dans ce cadre, l équipe a récemment montré qu après photoblanchiment partiel, un ajout de peroxyde d hydrogène permet de rétablir la luminescence des nanoparticules. Ceci constitue un résultat très important qui ouvre un nouveau champ d application de ces nanoparticles : leur utilisation comme sondes locales de peroxyde d hydrogène. Concernant la fonctionnalisation, une méthode générale de couplage particule-protéine a été mise au point. Elle est basée sur l enrobage des nanoparticules par une couche d organosilane comportant des fonctions amines et l utilisation de cross-linkers chargés pour assurer la stabilité colloïdales des nanoparticules. Cette technique a été validée sur des toxines préalablement marquées par des fluorophores et une méthode de comptage du nombre de protéines par nanoparticules a été proposée. Le comité de visite constate que malgré sa taille, l équipe «Nanoémetteurs et suivi de biomolécules individuelles» a une production scientifique de bonne qualité. Elle dispose maintenant d une expertise certaine sur la fonctionnalisation et l imagerie de ces nanoparticules qui la place en position idéale pour mener à bien le programme de recherche ambitieux proposé. Il juge ses projets de collaboration sur les divers systèmes biologiques très intéressants et pertinents et espère que le recrutement du jeune maître de conférences permettra de renforcer la bonne dynamique de ce groupe. 5 Analyse de la vie de l'unité Le personnel de l unité est organisé autour de projets, ainsi il existe des collaborations étroites entre les membres des trois axes scientifiques. Ceci a pour effet de souder l unité et d en augmenter sa cohérence. La situation est aussi bénéfique pour les étudiants en thèse et les post-doctorants qui profitent ainsi des compétences et des points de vue divers. Etant donné sa petite taille et son organisation autour des projets, le management et la communication au sein de l unité s en trouvent simplifiés. Le comité note une fragilité de l unité au niveau de l évolution de carrière de ses personnels ITA, qui pour avancer se verront contraints à présenter des concours externes. 6 Conclusions Points forts : Avis très positif. Cette unité, travaillant à l interface entre la biologie et la physique, est réellement à la pointe du domaine. Le comité a apprécié autant la qualité de la recherche fondamentale associant des expériences originales à des sujets d importance que le souci de valorisation des résultats qui permet, par exemple, d être à l amont de nouveaux médicaments. Points à améliorer : L unité a une reconnaissance internationale considérable due à la fois à ses découvertes et à ses innovations techniques. Néanmoins, une implication plus forte de tous les chercheurs de l unité dans la communication de leurs résultats au niveau national et international pourrait contribuer à construire une reconnaissance encore plus en accord avec la grande valeur de l unité. 8

10 Recommandations : Dans les quatre années à venir, les membres de l unité devront continuer à développer leurs thèmes de recherche au plus haut niveau, comme dans le passé, avec le souci de se préparer dans le contexte des évolutions locales et nationales à la fin du mandant de l actuel directeur de l unité. 9

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