Master de Physique - Spécialité
Physique et Systèmes Biologiques

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Biophysique et Biologie Structurale

1 - Objectifs de la formation

2 - Organisation des enseignements

3 - Descriptif des enseignements

4 - Inscription et renseignements pratiques

Objectifs de la formation

Cette formation est accessible aux étudiants issus de la première année d’un Master de Physique ou de chimie-physique ou encore de chimie lié à une université ou une grande école. Elle sadresse à ceux d’entre eux qui sont intéressés à la fois par les questions posées par la biologie et par la physique et la physico-chimie des systèmes complexes. Elle leur fournit une double formation en biologie et en approches physico-chimiques des systèmes biologiques en insistant sur les relations structure-fonction-activité biologique à des échelles allant du moléculaire aux systèmes intégrés.

Organisation des enseignements

Au premier semestre, les étudiants suivent tout d'abord un enseignement obligatoire de cours/TP de biologie intitulé Biologie Moléculaire et Cellulaire Fondamentale.

Deux autres modules sont ensuite à choisir parmi les 3 qui sont proposés dans la liste suivante (détails des programmes présentés plus loin) :

Imagerie des Systèmes biologiques (molécules, cellules, tissus) : Microscopies optique, électronique et de fluorescence, imagerie et cartographie aux rayons X

Résonance Magnétique Nucléaire et Modélisation des Macromolécules Biologiques

Bio-Cristallographie Diffraction/Diffusion des rayonnements (X,neutrons)

L'enseignement du premier semestre est enfin complété par un ou deux modules (selon le nombre de points ECTS accordés) à choisir dans la liste suivante:

Protéines: Repliement, Protéines membranaires et complexes multiprotéiques

Stage au CEA Saclay (INSTN): Stratégies de purification des protéines

Un module de biologie dans la liste des options proposées par la spécialité

Au second semestre, un stage de recherches de longue durée (5 mois minimum) est à faire dans l’un des laboratoires de la spécialité. Deux modules d’option doivent être choisis parmi ceux proposés par la spécialité ou d’autres modules compatibles avec le parcours, à choisir après discussion avec les responsables de spécialité et de parcours.

Descriptifs des enseignements

Au cours de cet enseignement, les étudiants suivront un cours introductif à la biologie destiné à leur introduire les bases du génie génétique et de la biologie moléculaire au travers de 3 semaines de travaux pratiques et dirigés. Sous forme d'un projet d'équipe, ce TP, accompagné de cours spécifiques, vise à mettre en évidence l'infection de bactéries par les virus et à caractériser, par les techniques de biologie moléculaire, les gènes impliqués dans le mécanisme d'infection de biofilms bactériens.

Programme :

- Extraction des génomes et vérification de leurs tailles
Techniques : Microbiologie classique (Rappel des usages de bases, stérilité etcx), électrophorèse en champ pulsé

- Constitution de la banque : 2 méthodes - RASL et Sonication
Techniques : Amplification d'ADN par RASL (analyse publication) et vérification du résultat sur gels, fragmentation de l'ADN par sonication (analyse publication) et réparation, vérification du résultat sur gels

- Constitution de la banque 2, clonage des fragments dans un vecteur dxexpression
Techniques : Préparation du vecteur de clonage (miniprep + linéarisation), ligation

- Transformation : Obtenir les clones recombinants (test Blanc/bleu)
Techniques : Préparation de cellules compétentes (CaCl2) + transformation, étalement sur milieux sélectifs appropriés

- Repiquage des clones + vérification de la banque par PCR pour sélection
Techniques : repiquage (cure-dents), PCR sur colonies, gel agarose

- Test biofilms : criblage de/des banques
Techniques : Test de O-Toole et al, 1998 (analyse publication)

- Extraction plasmidique: sélection des "gènes intéressants"
Techniques : mini-preps (lyse alcaline)

- Restriction: Identification des gènes
Techniques : Carte de restriction

- Identification des gènes
Techniques Bioinformatique

- Analyse globale des résultats, réajustements, biblio, rapport

Ce module aborde à travers des cours et des TP de très haut niveau, les méthodes les plus novatrices d'imagerie des systèmes biologiques. Plusieurs TP sont prévus pour confronter les étudiants à des situations pratiques posées dans le domaine de la recherche à l'interface entre la physique et la biologie. Des physiciens et des biologistes dispensent les cours et encadrent les TP dans les laboratoires. Deux visites sont prévues sur les lignes d'imagerie médicale du centre Européen des rayonnements de Grenoble (ESRF). Le cours sera structuré en trois parties :

1. Microscopie optique et de fluorescence

- Optique du microscope, contraste de phase, microscopie de polarisation, Contraste interférentiel de Nomarski

- Microscopie de fluorescence, microscopie confocale, marquage GFP, colocalisation

- Les pinces optiques

- Visites : plate forme d'imagerie ISV (Gif/Yvette), IBAIC (Orsay), Institut Curie

2. Microscopie électronique

- L'eau dans les cellules, préparation des échantillons biologiques, vitrification, cryofracture et cryodécapage, préparation d'échantillons minces (coupes et cryocoupes).

- Le microscope électronique à balayage et à transmission, les interactions électrons-matière, contraste d'amplitude et contraste de phase, fonction de transfert, formation de l'image, analyse d'images, méthodes de reconstruction de particules isolées, tomographie électronique, microanalyse et cartographie chimique

- TP : vitrification et observation de bactériophages et d'ADN en cryomicroscopie électronique

3. Imagerie et cartographie aux rayons X

L'évolution très rapide des sources de rayons X que l'on observe actuellement avec le développement des sources de rayonnment synchrotron, s'est notamment traduite par l'apparition de nouvelles techniques d'imagerie et de cartographie dont les performances sont très supérieures à celles de la radiographie classique pratiquée avec un tube de rayons X. Les techniques se divisent en deux groupes principaux, le groupe des techniques d'imagerie en champ plein (microscopie X, tomographie, l'imagerie en contraste de phase) et le groupe des techniques à balayage (diffraction X, fluorescence X, spectroscopie d'absorption). La résolution spatiale des techniques de rayons X est moins bonne que celle obtenue avec les techniques d'électrons, en revanche elles offrent une grande diversité de types de sélectivité (éléments chimiques, état chimique, organisation moléculaire, défauts microscopiques). Les techniques d'imagerie et de cartographie aux rayons X sont aujourd'hui utilisées par de nombreuses communautés liées aux sciences du vivant: biologistes, biophysiciens, médecins, physico-chimistes, industriels de la pharmacie, des cosmétiques, etc.

L'objectif de l'enseignement est de fournir un aperçu de l'ensemble de ces techniques. Il comprendra deux cours principaux, correspondant à deux approches orthogonales pour donner une vision aussi large que possible, cours qui seront illustrés et complétés par quelques témoignages de "professionnels" sous forme de séminaires interactifs. La première sera une approche verticale par technique, elle couvrira les principes physiques, les mises en xuvre et les contraintes instrumentales, les potentialités analytiques, la préparation des échantillons, les collectes de données et leur exploitation. La seconde approche sera horizontale, elle se situera au niveau du problème à résoudre sur un échantillon biologique donné, de l'échelle moléculaire à l'animal entier, en passant par les analyses cellulaires et tissulaires. Cette approche fera ressortir la complémentarité entre les techniques et leur place parmi l'ensemble des techniques d'imagerie.

Les séminaires auront pour finalité principale, outre l'illustration au niveau de problèmes réels, de faire découvrir différentes facettes de la vie professionnelle. Les conférenciers seront choisis parmi des chercheurs universitaires, des médecins, des industriels de la pharmacie et des cosmétiques.

Le but est de donner une formation approfondie à la RMN des macromolécules biologiques, afin que les étudiants soient à même d'apprécier son champ d'application et les méthodes spécifiques à proposer pour résoudre un problème biologique donné.

Programme :

- Introduction à la RMN impulsionnelle et au calcul des séquences. Attribution des spectres

- Spins, phénomène RMN, impulsions, transformée de Fourier, RMN multidimensionnelle

- Analyse des séquences de base (2D et 3D)

- Attribution des spectres (attribution séquentielle, utilisation du marquage)

- Production des échantillons pour la RMN (en particulier marquage aux isotopes stables)

- Reconstruction des structures

- Notion de contrainte expérimentale en modélisation moléculaire

- Mesure et évaluation de contraintes expérimentales

- Recuit simulé

- Validation des structures

- Relaxation en RMN et étude expérimentale de la dynamique en solution

- Exemples d'utilisation de la RMN en biologie structurale

- Approfondissement, approches nouvelles, techniques avancées (couplage dipolaire, TROSY, arrimage moléculaire...)

Ce cours présente les diverses méthodes de diffraction/diffusion de rayons appliquées à la biologie structurale : la cristallographie des protéines, la diffraction par des fibres biologiques et la diffusion des rayons X aux petits angles. Une partie du cours sera également consacrée à la microscopie électronique.

Programme :

- Diffusion et diffraction des rayons X

- Cristallographie des protéines

- Basses dimensionnalité: Diffraction des rayons X par des fibres biologiques, Diffusion des rayons X aux petits angles par des biomolécules, Microscopie électronique

- Préparation des échantillons - Cristallogénèse

- Aspects biochimiques et physico-chimiques des protéines en solution

- Méthodes de cristallisation et stratégies des expériences de cristallogénèse

- Approches pratiques de la cristallogénèse

- Croissance cristalline par ensemencement, préparation de dérivés dxatomes lourds, cryocongélation des cristaux

- Les protéines membranaires

- Méthodes de phasage

- Les différentes approches de la résolution du problème des phases en cristallographie biologique

- Méthodes expérimentales de phasage : méthodes du remplacement isomorphe et de la diffusion anomale

- Méthode du remplacement moléculaire : fonctions de rotation et de translation

- Méthodes de modification de densité : symétrie non-cristallographique, nivellement du solvant, ajustement d'histogrammes de densité

L'objectif de ce cours est de donner un éclairage, proche de la recherche, sur quelques champs scientifiques parmi les plus actifs en biologie structurale.

Programme :

- Méthodes d'études des protéines membranaires

- Le repliement des protéines : Concepts, Méthodologies, Mécanismes et Stratégies cellulaires

- Analyse avancée des structures de protéines

- Assemblages moléculaires complexes : Moteurs moléculaires, Complexe multiprotéiques (assemblages dynamiques, techniques d'imagerie, étude de molécules ou de systèmes moléculaires uniques)

Ce stage de deux semaines a lieu dans les laboratoires de biologie du CEA à Saclay. Il est encadré par un ensemble de chercheurs du CNRS et du CEA. L'ensemble des points cités ci-dessous est abordé à travers une série de cours et par un ensemble de travaux pratiques permettant d'utiliser de nombreuses méthodes de biologie moléculaire et de biochimie.

Programme :

- Stratégies de purification des protéines

- Expression génétique chez les organismes procaryotes

- Clonage et expression chez les organismes procaryotes

- Etude des interactions protéine-protéine et protéine-ADN

- Méthodes de purification des protéines

- Méthodes d'analyse biochimique des protéines : composition en AA, séquençage, spectrométrie de masse

- Méthodes biophysiques de caractérisation des protéines

Inscriptions et renseignements pratiques

Pour s'inscrire dans la spécialité Physique et systèmes Biologiques, parcours Biophysique & Biologie Structurale, il est conseillé de présenter sa demande pendant la période allant de fin janvier à début juin. La promotion constituée de dix étudiants est définitivement fixée fin juin. Les rendez-vous seront pris en s'adressant à la secrétaire de la spécialité ou auprès de la responsable du parcours :

Le dossier d'inscription est à retourner par courrier postal à l'adresse ci-dessus.