NSF-ANR MCB/PHY Développement de modèles quantitatifs de la motilité cellulaire eukaryote – DEMOQCELL

Résumé général :

Nous proposons de développer une nouvelle génération de modèles basés sur le champ de phase pour étudier la motilité des cellules eukaryotes. Ceci sera accompli grâce à une collaboration jointe expérience-théorie impliquant d’un côté, A. Karma et H. Levine de l'Université Northeastern et, de l’autre, C. Sykes et V. Hakim de l’Ecole Normale Supérieure (Paris, France) comme collaborateurs non-financé par la NSF. Les modèles existants négligent des propriétés cellulaires importantes telles que la contractilité du cortex, le rôle du noyau et la capacité des cellules à changer leur type de motilité. Les données expérimentales récentes, associées aux avancées computationnelles et à la puissance actuelle de calcul, devraient permettre une avancée critique sur un aspect fondamental de la physiologie cellulaire. La création d'un modèle de nouvelle génération validé par de nouvelles expériences devrait avoir des retombées importantes sur la compréhension des processus développementaux et pathologiques, tels que la formation de métastases cancéreuses. Le projet comprend un groupe leader en biologie cellulaire (Sykes), et des chercheurs experts de la dynamique non linéaire du cytosquelette et de la motilité cellulaire (Levine), et du développement de techniques analytiques et informatiques qui ont transformé l'idée du champ de phase en un outil puissant et quantitativement précis pour les problèmes à surface libre dans les matériaux (Karma, Hakim).

Progrès conceptuel :

La technique du champ de phase est une approche mathématique puissante pour traiter des processus dynamiques spatialement étendus définis dans un domaine spatial évoluant lui-même dans le temps. Cette approche a déjà été appliquée au problème de la motilité cellulaire pilotée par des processus cytosquelettiques actifs. Plusieurs limitations en restreignent cependant la fiabilité et l’applicabilité. Notre projet de recherche est d’utiliser des données expérimentales détaillées pour créer une nouvelle génération de modèles de morphologie/motilité cellulaire. Ils auront pour but de décrire la variété des modes de motilité des cellules de mammifères, notamment ceux pour lesquels la déformation nucléaire est un aspect clé de la motilité, ainsi que l'interaction des cellules avec un environnement externe complexe. Cette avancée cruciale nécessitera l’obtention et l’analyse de données expérimentales ciblées et l’association de ces informations biologiques aux progrès récents, à la fois mathématiques et numériques, de la méthode du champ de phase, développée pour des problèmes de physique des matériaux, tels que la mécanique des fractures, mais non encore appliquée à la biologie cellulaire

Retombées sociétales :

Notre projet de recherche sera directement couplé au travers de différents canaux à des activités au profit de la diversité en STEM, de la formation interdisciplinaire et des applications biomédicales. Nous nous associerons au Centre de physique biologique théorique et à son partenaire de recherche, la HBCU Texas Southern University, pour associer à nos projets et plus généralement à ce domaine de recherche, à la fois nos propres étudiants et les étudiants en stage d'été, avec un effort vers ceux issus de groupes sous-représentés. De plus, nous profiterons de nos fonctions institutionnelles dans nos disciplines respectives pour contribuer à améliorer le dialogue entre les communautés des mathématiques et de la biologie expérimentale. Enfin, les modèles mathématiques que nous développerons, ont potentiellement de nombreuses applications, tel que celui, motivant, de la détermination des conditions nécessaires pour que les cellules immunitaires puissent envahir les tumeurs et prévenir leur progression. Nous diffuserons les nouvelles idées méthodologiques, découlant du traitement mathématique avancé, développé dans ce programme de recherche, et mettrons à disposition de la communauté biomédicale concernée nos développements computationnels.