Développement de nouvelles approches thérapeutiques pour le traitement de l'ataxie de Friedreich ciblant le processus biochimique d'assemblage des clusters fer-soufre
L'ataxie de Friedreich (AF) est l'ataxie héréditaire la plus courante, avec 1 personne sur 30 000 affectées dans le monde. Il s'agit d'une maladie génétique, neurodégénérative et cardiaque causée par une expression défectueuse de la frataxine (FXN), une protéine mitochondriale stimulant la biosynthèse des clusters fer-soufre (Fe-S), des métallo-cofacteurs de protéines impliquées dans une multitude de fonctions biologiques essentielles. Le projet de thèse vise à développer des médicaments pour le traitement de cette maladie par des approches combinant la biochimie, la biophysique, le criblage in vitro et les tests sur animaux modèles in vivo.
Nous avons montré précédemment que FXN agit en stimulant l’apport de soufre au système de biosynthèse des clusters Fe-S. Des données plus récentes viennent de mettre en lumière un jeu de régulation croisée extrêmement fin entre FXN et la ferredoxine-2 (FDX2), une enzyme intervenant à l’étape suivante de celle catalysée par FXN. Nos données montrent que ces deux enzymes sont en compétition l’une avec l’autre pour la fixation au complexe de biosynthèse des clusters Fe-S, réprimant ainsi mutuellement leurs activités respectives. Ainsi un niveau trop élevé de FDX2 par rapport à FXN, diminue l’efficacité de la réaction, suggérant qu’une diminution du niveau de FDX2 pourrait augmenter l’efficacité de synthèse de clusters Fe-S en condition de défaut en FXN comme chez les patients AF. Nous avons pu valider cette hypothèse in vivo dans un modèle drosophile de l’AF, en montrant que la diminution du niveau de FDX2 améliore la survie des mouches. Nos données suggèrent que FDX2 pourrait être utilisée comme nouvelle cible thérapeutique pour l'AF. Parallèlement, nous avons identifié des composés par criblage à haut débit qui stimulent la biosynthèse des clusters Fe-S et nous suspectons qu'ils agissent en atténuant la répression de FDX2. Les objectifs de ce projet sont d'élucider le mode d'action de ces composés, mieux comprendre la régulation croisée entre FXN et FDX2 et tester les molécules dans le modèle AF drosophile afin d’évaluer leur potentiel comme candidats médicaments. En ciblant le défaut primaire de l’AF, i.e. le défaut de synthèse des clusters Fe-S, nous espérons obtenir des médicaments avec un fort potentiel thérapeutique.
Ce projet se positionne dans l’axe stratégique « Biotechnologie de demain » du CEA, à l’interface des sciences du vivant et de l’ingénierie pour répondre à un enjeu de santé publique. Ce projet combine en effet biologie et technologies pour le développement d’un nouvel axe en biothérapie. Il s’appuie sur une thèse CFR précédente financée par le CEA (K. Want 2021-2024), qui a permis le développement d’une plateforme de criblage in vitro anaérobie, unique en France, et l’identification de molécules actives. Cette thèse a également permis de générer les premiers résultats montrant l’existence d’une régulation croisée entre FXN et FDX2 qui sont à la base de ce nouveau projet. La poursuite de ce projet répond donc à l’objectif du CEA de s’appuyer sur des travaux déjà engagés, pour intensifier leurs développements avec pour objectif d’assurer un transfert clinique et un passage à l’échelle pour un transfert industriel. D’autres part, ce projet va s’appuyer sur les expertises du CEA en modélisation et sur les plateformes de biophysique de l’I2BC. Il semble donc important que ce projet soit soutenu et financé par le CEA.
Lits fluidisés miniaturisés pour la capture efficace d'agents pathogènes
Le sepsis désigne une réponse immunitaire inappropriée généralisée de l'organisme suite à la présence de microorganismes dans le sang. Cette affection est un problème majeur de santé publique avec plus de 11 millions de décès par an dans le monde. Cette forte mortalité s’explique entre autres par la difficulté à identifier rapidement le pathogène impliqué, retardant l’administration rapide d’un traitement adapté.
Ce projet de cette thèse en lien avec l’IHU PROMETHEUS se focalise sur le développement de lits fluidisés miniaturisés pour concentrer des biomarqueurs sanguins du sepsis, présents à l’état de traces dans des matrices biologiques. Cette méthode, basée sur l’emploi de la technologie microfluidique, s’affranchira de l’étape d’hémoculture et permettra la capture rapide et l’identification subséquente des cibles enrichies. Grâce à leurs débits importants, une très grande surface de capture et des cinétiques d’échanges rapides, les lits fluidisés développés appliqués à la capture d’acides nucléiques permettront de révolutionner le diagnostic rapide du sepsis.
Nous proposons de développer trois axes au cours de ce projet de thèse : 1) développement et caractérisation du lit fluidisé miniaturisé ; 2) analyse des performances du système avec de l’ADN synthétique ; 3) validation du système développé avec des échantillons biologiques modèles contenant de l’ADN bactérien. Ce système d’analyse d’ADN sera valorisable et ouvrira la voie à l’analyse microfluidique d’autres types de biomarqueurs du sepsis.
Physique des interfaces AlBN/Ga2O3 et AlBN/GaN pour l'électronique de puissance
L’aviation commerciale est responsable pour 2,5% des émissions mondiales de CO2 (1bT). Une vraie perspective propre à long-terme pour éliminer une partie significative des émissions de CO2 devra être électrique. Une solution viable pourrait être l’avion hybride dans lequel les turbines à gaz seraient utilisés pour le décollage et l’atterrissage tandis que la croisière en vol serait alimentée électriquement. Une telle solution requiert des composants à haute tension. La recherche fondamentale est nécessaire pour optimiser des matériaux à intégrer dans les composants électroniques capables à supporter de telles puissances.
L’idée originale du projet Ferro4Power est d’étendre la gamme d’applications de dispositifs à base de Ga2O3 et GaN en introduisant une couche ferroélectrique d’AlBN à haute tension de claquage, compatible avec une électronique de puissance, dans l’empilement des dispositifs. La polarisation du ferroélectrique crée un champ électrique qui va moduler les bandes de conduction et de valence du Ga2O3 et GaN et ainsi les caractéristiques des dispositifs tels que les diodes de Schottky, des transistors en déplétion et des HEMTs à haute fréquence. Notre hypothèse est de contrôler les bandes électroniques de Ga2O3 et de GaN par la couche adjacente de AlBN.
Nous explorerons la chimie et la structure électronique de interfaces AlBN/Ga2O3 et AlBN/GaN, ciblant les phénomènes clés d’écrantage de la polarisation, piégeage/dépiégeage de charge et les champs internes. Le projet emploiera des techniques avancées de la spectroscopie de photoélectrons telles que la photoémission à rayons X durs stimulée par le rayonnement synchrotron, la microscopie d’électrons en photoémission et de l’analyse structurelle complémentaire comme la microscopie électronique à haute résolution, la diffraction des rayons X et la microscopie en champ proche.
Les résultats devraient intéresser aussi bien des physiciens étudiant des aspects fondamentaux de la fonctionnalité des hétérostructures artificielles que des ingénieurs travaillant dans les applications R et D de l’électronique de puissance.
Promesses scientifiques et circulation sociale d’une « molécule de l’année »: le cas de l’Azote Réactif
Ce projet de thèse propose une recherche interdisciplinaire sur l’azote réactif (AR), une famille de composés chimiques dont les usages, les représentations et les effets traversent les champs scientifique, industriel, environnemental, sanitaire et politique. Positionné à l’interface entre biochimie et sociologie des sciences, ce travail prend appui sur un objet central mais encore peu discuté dans les sciences sociales : l’azote réactif, et plus particulièrement le monoxyde d’azote (NO), élu molécule de l’année par la revue Science en 1992. La découverte du rôle physiologique du NO conduisit au prix Nobel de Médecine en 1998 et à l’émergence d’un nouveau champ de recherche porté par un important soutien financier public et privé, et marqué par la création de nouvelles sociétés savantes, congrès et journaux scientifiques et par la publication de plus de 200 000 articles scientifiques en 30 ans. À la croisée des promesses biomédicales et des controverses scientifiques, le NO cristallise une tension entre d’un côté, des espoirs thérapeutiques très forts et de l’autre, des conséquences sanitaires majeures et encore mal maîtrisées.
Le projet s’articule autour de deux grands axes : Axe 1 – Promesses et limites de l’innovation scientifique. Dans cet axe, il s’agit d’analyser les trajectoires de recherche autour du NO depuis les années 1990 : quelles promesses ont été formulées, dans quels contextes, et pourquoi certaines d’entre elles n’ont-elles pas été tenues ? L’étude portera autant sur les obstacles scientifiques et épistémologiques que sur les dimensions institutionnelles ou politiques (fragmentation disciplinaire, financement, coordination des recherches, etc.). Axe 2 – Circulations, appropriations et récits. Cet axe suit le NO et l’azote réactif dans les différents espaces sociaux – laboratoires, industrie, régulation, politique, société civile – pour comprendre comment cette entité biochimique est mobilisée, qualifiée, valorisée, contestée. On s’intéressera en particulier aux représentations contradictoires qui coexistent (molécule bénéfique / molécule toxique), aux usages problématiques ou incomplets, et aux effets de ces circulations sur les politiques publiques et les usages sociaux.
Méthodologie
La démarche adoptée est pluridisciplinaire et croisera : i) une compréhension de la nature biochimique de l’objet ; ii) des outils issus de la sociologie des sciences, de l’histoire des techniques, et des études sur les controverses. Les données à collecter seront : i) des données bibliométriques : exploitation des bases de données de type OPENALEX / WOS ; ii) un corpus documentaire : analyse approfondie des archives scientifiques, des publications clés, des brevets et des rapports institutionnels liés au NO et à l’AR, de la couverture médiatique du NO depuis les années 1980 ; iii) des entretiens semi-directifs : une série d’entretiens sera réalisée avec différents acteurs ayant contribué à l’étude et à l’usage du NO, notamment : Des chercheurs et chercheuses ayant travaillé sur les applications biomédicales ou écologiques du NO ; Les scientifiques membres de la NO Society, communauté savante dédiée au progrès des connaissances sur la molécule NO ; Des industriels impliqués dans la valorisation technologique des composés réactifs de l’azote ; Des décideurs politiques et des experts ayant encadré la régulation ou les politiques publiques concernant le NO et l’AR.
Les résultats attendus et apports seront les suivants : Sur le plan scientifique, cette recherche vise à établir l’état des représentations sociales et scientifiques de l’azote réactif/NO°, à identifier les points de friction entre mondes savants et espaces publics, marchands et politiques, et à proposer une analyse des mécanismes de promesse, de valorisation et de mésusage des savoirs. La thèse vise à enrichir les débats sur les conditions de circulation des innovations et sur les modalités de production de savoirs dans les sciences de la vie. Sur le plan social et politique, elle contribuera à une meilleure compréhension des enjeux sanitaires et écologiques liés à l’AR, et formulera des recommandations à destination des décideurs pour mieux articuler expertise, responsabilité et politiques publiques.
D’un point de vue encadrement et environnement de recherche de la thèse … ce projet sera co-encadré par Jérôme Santolini (biochimiste, DR CEA – Laboratoire Stress Oxydant et Détoxication), Michel Dubois (sociologue, DR CNRS) et Catherine Guaspare (sociologue, IE CNRS). Il sera conduit dans deux unités de recherche : CEA – DRF/Joliot : expertise sur NO, l’azote réactif et les approches redox systémiques, le GEMASS – CNRS-Sorbonne Université : sociologie des sciences et des techniques.
Le ou la doctorant·e bénéficiera d’un cadre de recherche stimulant, mêlant investigation scientifique et réflexivité critique, avec une forte ouverture interdisciplinaire et en lien avec les enjeux sanitaires et d’information scientifique.
IRM anatomique accélérée à haute résolution à 11,7T à l'aide de SPARKLING
L'imagerie par résonance magnétique (IRM) est devenue la modalité d’imagerie de référence en neuroimagerie pour explorer de manière non invasive la structure et les fonctions cérébrales. En particulier, l'IRM anatomique est un outil standard pour le diagnostic clinique et la recherche, où l'imagerie pondérée en T1 est la séquence la plus couramment utilisée. Cependant, cette modalité est limitée par des temps d'acquisition longs, surtout pour l'imagerie anatomique haute résolution. À cet égard, l’échantillonnage non-cartésien permet d’accélérer les acquisitions grâce à des trajectoires flexibles, telles que SPARKLING (initialement développée pour l'imagerie pondérée en T2*), qui permettent un échantillonnage efficace de l’espace k, facilitant ainsi des reconstructions itératives optimales au sens de la qualité d'image.
Dans cette thèse, l’approche SPARKLING sera étendue à l’imagerie T1-MPRAGE, avec pour objectif d’accélérer les acquisitions d’un facteur 10 à 15, permettant des acquisitions isotropes de 1 mm de résolution sous la minute. Pour des extensions à la séquence MP2RAGE, impliquant des échantillonnages redondants à différents temps d'inversion (TI), nous proposons un nouveau schéma de sous-échantillonnage entrelacé et une reconstruction correspondante, minimisant ainsi la redondance entre les différentes trajectoires d’acquisition et maximisant l'efficacité du processus d'acquisition. En pratique, l’innovation est liée à une extension 3D+temps de l'algorithme SPARKLING, origine, quiproduit des motifs d’acquisition complémentaires pouvant être combinés grâce au schéma de reconstruction 4D proposé. Enfin, la thèse se concentrera également sur la caractérisation du profil de bruit dans l’espace k pour les acquisitions non-cartésiennes et son effet sur la résolution des images IRM reconstruites. Cela nous aidera à construire des trajectoires d'échantillonnage optimisées pour le rapport signal/bruit, qui seront validées par rapport aux protocoles de pointe utilisés en clinique (comme MP2RAGE) à des intensités de champ allant de 3T à 11,7T. La comparaison de tous les schémas d’acquisition sera effectuée à l’aide de métriques quantitatives ainsi que d'évaluations radiologiques qualitatives, en collaboration avec des radiologues de NeuroSpin et de l'hôpital AP-HP Henri Mondor.
Élucider et exploiter les voies de biosynthèse des produits naturels pour produire de nouvelles molécules d'intérêt pharmacologique
La résistance antimicrobienne représente une menace pour la santé publique, rendant nécessaire la découverte de nouveaux antimicrobiens. Les produits naturels constituent des réservoirs importants pour de telles molécules. Parmi eux, les 2,5-diketopipérazines (DKP) se démarquent par leurs activités biologiques remarquables. La biosynthèse des DKP implique le plus souvent l'action d'une enzyme coeur appelée synthase de cyclodipeptide (CDPS) formant un cyclodipeptide ; elle est associée à une ou plusieurs enzymes de modification qui introduisent des modifications chimiques, conduisant à des DKP plus complexes. La diversité des DKP obtenues est assez appréciable mais limitée, car les cyclodipeptides initiaux sont généralement composés d'acides aminés aromatiques et hydrophobes. Récemment, de nouvelles enzymes coeur, appelées RCDPS, ont été identifiées, et elles n’ont aucune homologie de séquences avec les CDPS. De manière remarquable, elles utilisent des aminoacyl-ARNt comme substrats pour synthétiser des cyclodipeptides contenant de l'arginine.
Le projet proposé vise à étudier ces RCDPS, ouvrant un nouvel objectif pour la synthèse biologique d’une diversité de DKP contenant de l'arginine et, plus largement, de DKP contenant des acides aminés chargés. L'objectif est d'établir le répertoire naturel des cyclodipeptides produits par ces enzymes, de déchiffrer la base moléculaire de leur spécificité de substrats pour finalement réaliser de l'ingénierie enzymatique et métabolique conduisant à une diversité de DKP non naturelles contenant des acides aminés chargés. Le projet sera réalisé en s’appuyant sur un éventail de méthodes en biologie (biologie moléculaire, biochimie, biophysique) et en chimie analytique (LC-MS) ; des collaborations seront menés avec des experts en biologie structurale et chimie synthétique. Si l'avancée du projet le permet, une collaboration sera établie avec une plateforme déjà identifiée pour tester l'activité biologique des composés générés.
Stratégie pharmacologique innovante pour lutter contre les toxines du risque biologique
OBJECTIF DE THESE. Développer des molécules PROTAC pour dégrader par le protéasome des toxines internalisées dans les cellules hôtes, et proposer en fin de thèse des candidats médicaments pour des études in vivo.
ETAT DE L'ART ET PROBLEMATIQUE. Les toxines de plante et bactériennes comptent parmi les substances naturelles les plus toxiques et sont à l'origine de maladies mortelles, comme par exemple le botulisme et le tétanos. Une fois la toxine internalisée dans les cellules cibles, l'immunothérapie est inefficace, et il n'existe pas de traitements curatifs contre ces biomolécules. Un moyen de réaliser une avancée majeure dans le développement de contre-mesures médicales serait de cibler la toxine directement dans le cytoplasme des cellules hôtes à l'aide de molécules PROTAC. Les PROTAC sont des dégradateurs hétérobifonctionnels qui éliminent spécifiquement les protéines ciblées en détournant le système ubiquitine-protéasome de la cellule. Cette stratégie thérapeutique récente représente une technologie attrayante pour la découverte de nouveaux médicaments.
METHODOLOGIE. Pour mener à bien ce projet, l'étudiant(e) en thèse réalisera des campagnes de criblages in silico pour identifier des ligands d'une toxine et en améliorer l'affinité. Les expériences de validation des touches nécessiteront la production par voie recombinante d'un fragment de toxine et sera réalisée chez E. coli. A partir des ligands optimisés les plus prometteurs, des bibliothèques ciblées de molécules PROTAC dirigées contre la toxine seront synthétisées en collaboration avec une équipe de chimiste. L'étudiant(e) évaluera la capacité de ces molécules à interagir et éliminer la toxine internalisée dans les cellules en culture par différentes approches, afin de proposer en fin de thèse des candidats médicaments pour des études in vivo.
Optimisation de la microscopie super-résolution à température cryogénique pour la biologie structurale intégrée
La microscopie de fluorescence à super-résolution (« nanoscopie ») permet d’imager le vivant à l'échelle nanométrique. Cette technique a déjà révolutionné la biologie cellulaire, et aujourd'hui, elle investit le domaine de la biologie structurale. Une évolution majeure concerne le développement de la nanoscopie à température cryogénique (« cryo-nanoscopie »). La cryo-nanoscopie offre plusieurs avantages clés, notamment la perspective d'une corrélation extrêmement précise avec les données de cryo-tomographie électronique (cryo-ET). Cependant, la cryo-nanoscopie ne permet pas encore d’obtenir des images super-résolues de qualité suffisamment élevée. Ce projet de thèse se concentrera sur l'optimisation de la cryo-nanoscopie en utilisant la méthode de microscopie de localisation de molécules uniques (SMLM) avec des protéines fluorescentes (FP) comme marqueurs. Notre objectif est d'améliorer significativement la qualité des images cryo-SMLM (i) en étudiant les propriétés photophysiques de plusieurs FPs à température cryogénique, (ii) en modifiant un microscope cryo-SMLM pour collecter de meilleures données et (iii) en développant le complexe du pore nucléaire (NPC) comme outil de métrologie pour évaluer quantitativement les performances de la cryo-SMLM. Ces développements favoriseront les études corrélatives (cryo-CLEM) reliant la cryo-nanoscopie et la tomographie électronique basée sur le cryo-FIB-SEM.
Reconstitution in vitro de la polarisation du réseau de microtubules.
Les microtubules, polymères biologiques présents dans toutes les cellules eucaryotes, servent de support au transport intracellulaire via des moteurs moléculaires, définissant ainsi la polarité cellulaire. Contrairement au dogme établissant le centrosome comme déterminant de cette polarité, des recherches du CytoMorpho Lab révèlent que les microtubules peuvent s'auto-organiser sans centre organisateur. Des expériences in vitro ont démontré que les microtubules séparent activement les moteurs moléculaires de polarités opposées en domaines distincts, créant un nouveau mécanisme de séparation de phase active. Un tel partitionnement de l’espace par les microtubules et les moteurs constitue un nouveau mécanisme de morphogenèse.Le projet doctoral vise à encapsuler ce système dans des vésicules lipidiques de taille contrôlée pour étudier comment les dimensions relatives permettent une polarisation efficace. Cette approche nécessitera le développement d'un dispositif microfluidique et l'optimisation des conditions biochimiques pour l'ancrage des moteurs dans la bicouche lipidique. Les perspectives incluent la création de "cellules artificielles" capables de polarisation et la réévaluation des modèles de polarisation cellulaire, notamment pour les lymphocytes T et d'autres cellules différenciées.
Qubits volants dans le graphène
Les systèmes à l'état solide, actuellement envisagés pour le calcul quantique, sont construits à partir de systèmes localisés à deux niveaux, dont des exemples emblématiques sont les qubits supraconducteurs ou les points quantiques semi-conducteurs. Étant donné qu'ils sont localisés, ils nécessitent une quantité fixe de matériel par qubit.
Les qubits propagateurs ou "volants" présentent des avantages distincts par rapport aux qubits localisés : l'empreinte matérielle dépend uniquement des portes et des qubits eux-mêmes (photons), qui peuvent être créés à la demande, rendant ces systèmes facilement évolutifs. Un qubit qui combinerait les avantages des systèmes localisés et des qubits volants offrirait un changement de paradigme dans la technologie quantique. À long terme, la disponibilité de ces objets ouvrirait la possibilité de construire un ordinateur quantique universel combinant une petite empreinte matérielle fixe et un nombre arbitrairement grand de qubits avec des interactions à longue portée. Une approche prometteuse dans ce sens consiste à utiliser des électrons plutôt que des photons pour réaliser de tels qubits volants. L'avantage des excitations électroniques réside dans l'interaction de Coulomb, qui permet la mise en œuvre d'une porte à deux qubits.
L'objectif de ce doctorat sera le développement de la première plateforme nanoélectronique quantique pour la création, la manipulation et la détection d'électrons volants sur des échelles de temps allant jusqu'à la picoseconde, afin de les exploiter pour des technologies quantiques.