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Le vivant, une source d’inspiration à imiter

Nous sommes au cœur de la révolution que vit aujourd’hui la médecine : le patient prend le pouvoir, grâce à la démocratisation de l’accès à l’information. Pour que la médecine devienne vraiment personnalisée, le médecin et le biologiste doivent assumer ce qu’ils sont depuis toujours : des spécialistes de l’information ! L’information est une clé pour comprendre le vivant et agir sur la santé. Ce credo est depuis l’origine le ciment du laboratoire Techniques de l’Ingénierie Médicale et de la Complexité - Informatique, Mathématiques et Applications de Grenoble (TIMC-IMAG - CNRS/Université Grenoble Alpes), qui fête son 25ème anniversaire. Il implique une vision profondément interdisciplinaire, appliquée au service d’innovations industrialisées par plus de 20 startups… Une source d’inspiration de leurs recherches fondamentales se concentre dans l’observation du vivant qu’ils cherchent à imiter.

La compréhension fine des phénomènes biologiques à l’œuvre dans l’émergence des pathologies et dans les mécanismes de défense des organismes face à ces pathologies fournit une source intarissable d’innovations. Trois exemples caractéristiques de la bioinspiration à TIMC-IMAG sont développés.

Une caractéristique de la biologie qui englobe les concepts de la biomimétique et de la bioinspiration est l’auto-assemblage de molécules dans des systèmes fonctionnels aux dimensions du nanomètre. Un exemple de ces systèmes nanostructurés biologiques est l’assemblage des membranes cellulaires. Ces assemblages de membranes permettent la compartimentation des cellules biologiques pour rationaliser la fonction globale des organismes complexes (par exemple des bactéries, des plantes, des animaux). Cette organisation fournit également un environnement dans lequel des protéines peuvent se stabiliser de façon structurelle et fonctionnelle. La compréhension des particularités de ces membranes naturelles a permis de concevoir et développer des systèmes biotechnologiques biomimétiques nanostructurés. Par exemple, les chercheurs de TIMC-IMAG ont conçu des dispositifs qui fournissent une alimentation électrique basée sur le transport membranaire d’ions. La compréhension de la manière dont les cellules exploitent le glucose comme source d’énergie a permis aux chercheurs de TIMC-IMAG de proposer une biopile à glucose implantable qui pourrait alimenter des dispositifs médicaux [1]. Un « organ-on-chip » a été développé, destiné à accélérer la conception de biomarqueurs de l’évolutivité de différents cancers [2]. Des protéines de membranes de bactéries pathogènes ont pu être obtenues dans leur environnement membranaire naturel afin de pouvoir étudier leur fonction et également développer des vaccins efficaces [3].

Autre exemple : un mécanisme particulier d’injection de toxines de Pseudomonas aeruginosa, qui permet naturellement à ces bactéries l’injection de protéines à l’intérieur de cellules cibles de l’hôte, a été détourné de sa fonction par bioingénierie. Ceci a conduit à la proposition d’une méthode originale d’immunothérapie active et spécifique (comme une vaccination) applicable à des cancers ou à certaines infections [4] [5].
Les chercheurs de TIMC-IMAG poursuivent le développement de médicaments vivants bioingéniérés (Live Biotetherapeutics) en modifiant par ingénierie métabolique des bactéries afin de leur confier des fonctions diverses, soit de synthèse de molécules actives, soit d’orientation de la réponse immune. Bio-inspiration pour le développement de bactéries vivantes à visée thérapeutique. L’ingénierie métabolique a pour objectif d’orienter la réponse immune selon le type de pathologie visée.

Dernier exemple : les parasites et le système immunitaire ont évolué ensemble depuis des millénaires. Les parasites ont appris à tromper leurs hôtes, ou à les utiliser à leur avantage pour se pérenniser. Pour sa part, l’hôte a développé divers mécanismes de réactions immédiates pour contrer l’infection parasitaire. La plupart du temps, un gène majeur code une molécule capable d’interagir avec le pathogène, ce qui permet de contrôler l’issue de l’infection. Pour rechercher ces gènes de contrôle de la susceptibilité aux infections, les chercheurs utilisent des modèles animaux qui permettent de contrôler l’agent infectieux, l’environnement et le fond génétique de l’animal infecté. Par balayage des génomes d’animaux résistants versus sensibles, les travaux issus de TIMC-IMAG ont permis de caractériser Toxo1, une région chromosomique que l’on retrouve chez les mammifères et qui est prédictive de la résistance naturelle à la toxoplasmose. Cette région contient un gène impliqué dans la détection de signaux de danger intracellulaire et le polymorphisme de ce gène a été associé à la sévérité de la toxoplasmose congénitale chez l’homme [6]. Cette découverte devrait permettre d’améliorer la prévention de la toxoplasmose tant en médecine humaine que vétérinaire (prédiction génétique de la résistance et nouvelles molécules thérapeutiques). Carte génétique comparative de la région (locus) Toxo1 situé sur le chromosome 10 (c10) chez le rat et le chromosome 17 (c17) chez l’homme. Cette carte met en évidence la conservation du locus entre le rat et l’homme. Le nom des gènes est indiqué au centre en gris, le gène Nlrp1 est mis en évidence en rouge.

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