« La biologie sur laquelle on peut poser des équations, c'est de la physique »
En 2021, le prix Paoletti, récompensant de talentueux jeunes chercheurs et chercheuses en sciences de la vie, a été décerné à Hervé Turlier. Entretien avec ce chargé de recherche au CNRS et au Collège de France, qui s’est distingué par une recherche interdisciplinaire, mais avant tout fondamentale, à l’interface entre la physique et la biologie du développement embryonnaire.
Quels ont été vos premiers contacts avec la physique ?
Enfant, je faisais beaucoup d’activités de construction et d’électronique. J’adorais démonter les objets dans la maison pour essayer de comprendre leur fonctionnement… mais je n’arrivais pas à les remonter !
Par la suite, en terminale, j’ai effectué un stage passionnant dans une startup spécialisée dans les écrans à cristaux liquides. Ces derniers, comme les polymères, les mousses, ou même certaines structures biologiques, font partie de ce qu’on appelle la matière molle. Leurs états ne sont ni solides ni liquides, donc difficiles à classifier. Ce champ a été initié par Pierre-Gilles de Gennes, qui, avant d’être prix Nobel, était professeur au Collège de France.
Puis, j’ai eu un cursus très classique : classe préparatoire et École polytechnique avec une orientation en physique et mécanique. Là-bas, j’ai à nouveau étudié la matière molle lors de travaux pratiques, et ma dernière année a été consacrée entièrement à la physique des liquides et de la matière molle. Durant cette période, j’ai rencontré de manière inattendue le Pr Jean-François Joanny, dont les recherches portaient sur la biophysique de la cellule à l’Institut Curie. Cela a été une évidence, je me suis dit : « c’est la personne avec qui j’ai envie de faire ma thèse ». Il avait lui-même réalisé son doctorat avec Pierre-Gilles de Gennes : un concours de circonstances qui révèle une certaine continuité dans mon parcours depuis le lycée.
Vous avez obtenu votre thèse en matière molle et biophysique en 2013…
Le thème était la division cellulaire des cellules animales, et plus particulièrement la cytokinèse – la manière dont une cellule se déforme et se sépare physiquement au cours de la division cellulaire. Cette dernière se caractérise par la séparation des chromosomes de la cellule mère vers les deux futures cellules filles, d’une part, c’est ce que l’on appelle la mitose. D’autre part, il faut engendrer ces deux cellules filles donc couper le cytoplasme en deux : c’est la cytokinèse.
Ce doctorat reposait sur de l’étude mécanique et sur de la simulation numérique. Ce dernier aspect requérait des compétences en programmation informatique, et j’ai eu la chance d’être formé par un chercheur compétent dans le domaine, car je n’avais jamais codé auparavant.
Après cela, j’ai souhaité m’immerger davantage dans la biologie, car mes collègues étaient avant tout des physiciens. Je suis parti en postdoctorat au Laboratoire européen de biologie moléculaire (EMBL), en Allemagne. Là, j’ai travaillé entre deux équipes de recherche, en biologie du développement embryonnaire et en simulation numérique. Mon rôle était de faire à nouveau des simulations, cette fois-ci en me concentrant sur une échelle un peu plus grande, de l’ordre de quelques cellules.
Cette thématique m’ayant énormément plu, j’ai déposé en 2017 un programme de recherche au Collège de France sur l’embryogénèse précoce, et ce programme a été accepté.
Qu’est-ce que l’embryogénèse précoce ?
Il s’agit de la façon dont les embryons commencent à se former à partir d’une cellule-œuf fertilisée et jusqu’à une centaine de cellules embryonnaires. C’est un sujet assez ancien, car historiquement la biologie a commencé par l’observation d’embryons dans les stations de biologie marine. Aujourd’hui c’est moins étudié, la plupart des chercheurs s’intéressent au vivant à des étapes bien plus avancées et complexes.
Dans mon équipe constituée de physiciens, de mathématiciens ainsi que d’ingénieurs en mécanique et en informatique, on opère un retour aux sources. Nous collaborons avec des biologistes du développement – de l’Institut Curie et de l’observatoire océanologique de Villefranche-sur-Mer notamment –, qui nous fournissent des données réelles de microscopie et d’expression génétique d’embryons précoces.
À quoi vous servent ces données ?
À déterminer comment ces cellules s’autoorganisent, c’est-à-dire, au sens de la physique, comment la structure va émerger du fait des interactions entre les éléments qui la composent. En l’occurrence, la structure est l’embryon et les éléments sont les cellules.
Celles-ci doivent savoir dans quelle orientation se diviser, quel tissu elles vont devenir, etc. Elles ne peuvent évoluer que parce qu’elles sentent leur environnement, c’est-à-dire les autres cellules autour. Ce sont leurs interactions, additionnées à l’expression des gènes de chaque cellule, qui permettent l’autoorganisation.
Nous cherchons à reproduire ces phénomènes dans des modélisations numériques. Cela consiste à élaborer ensemble nos équations sur un tableau blanc puis à programmer sur ordinateur en C++ ou en Python.
Comment se traduit cette approche physique et numérique ?
L’idée est de trouver quels sont les ingrédients nécessaires et suffisants pour reproduire un comportement particulier de l’embryon précoce.
Le nombre d’espèces étudiées reste assez limité pour diverses raisons, essentiellement liées à la possibilité de voir les embryons au microscope ou non. Il n’est possible d’imager que ceux qui sont transparents. Cela crée donc un biais. Nous utilisons exclusivement des données issues d’espèces animales, par exemple de souris, d’étoile de mer, d’oursin, ou encore du petit ver Caenorhabditis elegans.
Notre postulat de départ est qu’une cellule embryonnaire remplit les mêmes fonctions quelle que soit son espèce, quelles que soient ses informations génétiques. Toutes les cellules sont capables de se diviser, de se polariser, de se déformer, d’adhérer à leurs voisines… Et on imagine qu’il est possible de modéliser ces fonctions de manière générique en faisant varier très peu de paramètres physiques. Les simulations numériques nous servent pour préciser tant la géométrie des cellules et leur mécanique que leurs communications et leurs réseaux de régulations génétiques et moléculaires.
À terme, l’objectif sera de lancer « Virtual Embryo », une plateforme virtuelle de modélisation numérique d’embryons animaux, en 3D et en fonction du temps, qui puisse être utilisée par la communauté scientifique et devienne, plus tard, collaborative.
Vous avez récemment publié dans la revue Science…
Avec nos partenaires à l’Institut Curie, nous avons analysé la dernière étape du développement de l’embryon précoce de souris. À ce stade, une cavité se forme à l’intérieur de l’embryon par un influx d’eau provenant du milieu environnant. Ce qui a été observé, expérimentalement, c’est qu’en réalité des milliers de cavités se créent au niveau de chaque point de contact entre les cellules embryonnaires. Ces contacts sont ensuite brisés pour donner la grande cavité.
Nous avons proposé un modèle physique simple : chacune des minuscules cavités est soumise à une tension de surface, comme une bulle de savon. Le fluide dans une bulle est sous pression : le moindre contact lui permet de s’échapper. Plus une bulle est petite, plus la pression à l’intérieur est grande.
Dans un bain moussant, les bulles deviennent de plus en plus grosses au fil du temps, car les petites disparaissent en vidant leur contenu dans les grosses. C’est pareil pour les cavités entre les cellules de l’embryon : dès qu’elles sont assez proches, elles s’échangent leur fluide et sachant qu’elles présenteront toujours une disparité de taille, les petites se videront dans les grosses. À la fin, la seule solution est qu’il n’y ait plus qu’une seule cavité. En physique de la matière molle, ce phénomène est appelé « mûrissement d'Ostwald ».
En quoi vos travaux se distinguent-ils de vos pairs ?
Je mène une recherche qui est extrêmement interdisciplinaire. On dépasse largement le cadre de la physique, et certains physiciens considèrent même que je fais de la biologie ! Mais pour moi, la biologie quantitative – c’est-à-dire la biologie sur laquelle on peut poser des équations, c’est de la physique. Cependant, les objets que l’on observe sont très différents de la physique classique. Il n’y a pas de grands principes unifiés et cela nécessite des méthodes novatrices. Mécanique, mathématiques appliquées, informatique et même apprentissage automatique sont autant d’outils que l’on mêle pour analyser nos données. Ce n’est pas facile de traverser des domaines qui sont parfois un peu hermétiques les uns aux autres, néanmoins je trouve cela absolument passionnant.
Quel constat tirez-vous de votre expérience dans le milieu académique ?
Une des difficultés majeures aujourd’hui, et il n’y a pas que moi qui y suis confronté, c’est de trouver un poste permanent en France. Le Collège de France m’a fait confiance en me permettant de créer mon équipe. Je profite de conditions de travail assez enviables, de la présence de collègues d’un haut niveau scientifique, ainsi que de l’accessibilité à de nombreux enseignements pluridisciplinaires.
Je suis extrêmement privilégié mais je sais que des gens plus méritants que moi n’ont pas forcément les mêmes opportunités. Et je m’inquiète pour la future génération… J’accompagne des jeunes du mieux que je peux dans leur projet scientifique, et je ne peux m’empêcher de m’interroger sur leur avenir. Y compris pour les meilleurs d’entre eux.
Pourtant les voir progresser, les voir mûrir, me procure un grand plaisir. Les moments que j’apprécie le plus ce sont les discussions avec une étudiante ou un étudiant : se poser devant le tableau, prendre le temps de réfléchir ensemble à une question scientifique… Finalement, je pense que la première chose qui me motive c’est de continuer à apprendre, et par-dessus tout apprendre des autres. La science s’accomplit dans l’échange.
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Hervé Turlier est chargé de recherche au CNRS et responsable de l’équipe Physique multi-échelle de la morphogenèse au sein du Centre interdisciplinaire de recherche en biologie du Collège de France.
Outre des financements prestigieux du programme ATIP-Avenir, de la Fondation Bettencourt-Schueller et du Conseil européen de la recherche, il s’est vu décerner le prix Paoletti 2021. Celui-ci distingue la qualité de ses travaux et l’ambitieux projet de recherche de son équipe, qui vise à comprendre les principes d’organisation et de communication des cellules dans un embryon aux toutes premières étapes de son développement.
Propos recueillis par Océane Alouda
