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Biophysique

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Qu’est-ce que la biophysique ?

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Bref historique

Les physiologistes, qui furent les premiers biophysiciens, démontrèrent plus tard que les lois de la physique sont nécessaires et suffisantes pour expliquer le vivant. Vers le milieu du XIXe siècle, une école multidisciplinaire se structure à Berlin, autour…Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

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Aspect théorique

La biophysique entend expliquer les phénomènes biologiques par les mêmes lois qui s'appliquent au reste du monde. Elle est en cela l'héritière directe de la physiologie du début du XXe siècle. Comme pour beaucoup d'autres systèmes complexes (plasmas,…Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

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Aspect expérimental

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Scientifique en biophysique au stéréomicroscope.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Partie de Biologie, physique, physique biomédicale (d)Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
Pratiqué par Biophysicien ou biophysicienne (d)Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les concepts physiques et les outils d'observation et de modélisation de la physique sont appliqués aux phénomènes biologiques[1].Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Plusieurs domaines de la biologie dans son sens le plus large ont bénéficié des avancées réalisées par la biophysique. L'écologie, l'évolution des espèces, le développement, la médecine, la biologie cellulaire ou encore la biologie moléculaire sont quelques exemples de l'application de la compréhension biophysique.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Une approche héritée de la physique y est utilisée pour[1] :Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

  • réaliser des images internes d'organisme : IRM, radiographie, traiter, détecter des tumeurs cancéreuses : radiothérapie, tomographie par émission de positons ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • mettre en évidence la structure d'éléments constitutifs du vivant : l'ADN ou les protéines ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • mesurer et manipuler de plus en plus précisément les éléments constitutifs du vivant. À titre d'exemple, il est possible d'utiliser des pinces optiques pour déplacer des organites ou bien dérouler la double hélice de l'ADN en mesurant la force appliquée.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

La biophysique moderne peut être divisée en quelques catégories : la biophysique médicale[2] (imagerie, rayonnement, détection, optique), la biophysique moléculaire (structure des protéines, interactions protéine-protéine, structure en 3D de l'ADN), la biophysique cellulaire[3] (mécanique de la cellule et de ses composants, modélisation de réseaux de signalisation génétiques), la biophysique des tissus[4] (processus de croissances des organes, biomécanique, phénomènes de migration collective) et de la biophysique environnementale et des populations (composants de l'environnement, de la biosphère, théorie de l'évolution).Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Bref historique

Les physiologistes, qui furent les premiers biophysiciens, démontrèrent plus tard que les lois de la physique sont nécessaires et suffisantes pour expliquer le vivant[5]. Vers le milieu du XIXe siècle, une école multidisciplinaire se structure à Berlin, autour de figures comme Johannes Müller et Hermann von Helmholtz, et explore en particulier le rôle de courants électriques dans les processus nerveux, ou l'optique physiologique. Au début du XXe siècle, Darcy Thompson publie son magnum opus, Forme et croissance, où il montre comment des processus complexes du développement de la forme d'embryon peuvent être expliqués par des principes physiques et mathématiques simples, s'inspirant par exemple de la physique des mousses. Au cours du XXe siècle, la théorie du vitalisme tombe en désuétude, et la biophysique prend pour but général la caractérisation du vivant au moyen de techniques physiques et chimiques. Après la seconde guerre mondiale, plusieurs chercheurs, notamment à l'Université de Cambridge révolutionnent la biophysique, en utilisant par exemple la cristallographie aux rayons X pour découvrir la structure de l'ADN (James Watson, Francis Crick, Maurice Wilkins et Rosalind Franklin, les trois premiers obtenant le Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1962 pour cette découverte), l'électrophysiologie pour découvrir la propagation du potentiel d'action dans les nerfs (Alan Lloyd Hodgkin et Andrew Huxley, obtenant le Prix Nobel de physiologie ou médecine en 1963), ou le rôle de processus chimiques dans la formation de motifs dans l'embryon[6] (Alan Turing en 1952).Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Aspect théorique

La biophysique entend expliquer les phénomènes biologiques par les mêmes lois qui s'appliquent au reste du monde. Elle est en cela l'héritière directe de la physiologie du début du XXe siècle. Comme pour beaucoup d'autres systèmes complexes (plasmas, supraconducteurs...), les biophysiciens cherchent à développer des théories adaptées aux phénomènes typiques du monde vivant. Dans bien des cas, de telles théories mettent en évidence certains points communs entre observations a priori très différentes, et ouvrent de nouvelles perspectives. Il se trouve que les organismes vivants font partie des systèmes physiques les plus complexes et les plus variés qui soient accessibles à notre observation. Pourtant, il existe une unité remarquable au niveau cellulaire, déjà mise en évidence par les premières observations de cellules au microscope (Schleiden 1838, Schwann 1840, Virchow 1855). Un des principaux exemples d'universalité dans la description physique et mathématique de processus biologique est la théorie de réaction-diffusion développée par Turing en 1952 pour expliquer la formation ex nihilo de motifs tels que les rayures ou pois dans le pelage des animaux lors de leur développement. Cette théorie, qui fait toujours l'objet d'intenses recherches en biologie du développement[7], s'applique aussi pour décrire des processus chimiques, écologiques ou géologiques.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

La découverte progressive de l'unité des processus physiques intervenant dans toutes les cellules vivantes a été un moteur important pour le développement de la biophysique. Les physiciens cherchent en effet à expliquer l'essentiel des observations en proposant des théories synthétiques. Les succès les plus importants sont obtenus lorsque plusieurs observations dans des contextes différents, chez des organismes différents, sont rattachées à une même explication physique.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Articles spécialisés :Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

  • biophysique des membranes (Membrane biophysics (en)) : Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
    • biophysique des canaux ioniques,Non vérifié Ce contenu affiché ne dispose pas encore d’un contrôle factuel correspondant.×
    • transport membranaire,Non vérifié Ce contenu affiché ne dispose pas encore d’un contrôle factuel correspondant.×
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  • polymères biologiques ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • biomécanique ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • biomécanique des muscles ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • moteur moléculaire ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • vésicules ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • biomimétisme ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • réaction-diffusion.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Domaines de la physique théorique particulièrement importants en biophysique :Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

  • physique statistique hors d'équilibre ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • dynamique des fluides ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • rhéologie ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • physique des polymères :Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • structure de la matière : Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
    • physique de la matière molle ;Non vérifié Ce contenu affiché ne dispose pas encore d’un contrôle factuel correspondant.×
  • spectroscopie et rayonnement ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • électrostatique, magnétisme.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Aspect expérimental

Diffractomètre pour rayons X à géométrie « kappa », muni d'un système cryogénique et d'un détecteur CCD.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×Illustration de la source non affichée : droits de reproduction à vérifier.Consulter les crédits et la source ↓

Techniques d'observation développées essentiellement grâce aux progrès en physique :Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

  • la résonance magnétique nucléaire (RMN), qui permet de résoudre la structure tridimensionnelle de petites molécules ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • l'imagerie par résonance magnétique (IRM) ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • la diffraction de rayons X utilisée en cristallographie, qui permet de résoudre la structure de molécules de toute taille, à la condition qu'elles forment des cristaux réguliers ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • la résonance paramagnétique électronique (RPE) ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • la résonance plasmon de surface (SPR) ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • la spectrométrie de masse, qui permet d'identifier des protéines ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • l'électrophysiologie, qui mesure l'activité électrique des cellules, potentiellement d'une seule cellule à la fois grâce à la technique du Patch-clamp ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • la biophotonique et la microscopie de fluorescence ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • la microcalorimétrie, qui mesure les changements de chaleur au cours d'une réaction, par exemple la liaison de molécules d'eau à une protéine ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • la microtensométrie, qui permet de mesurer les forces d'interaction au sein d'une bicouche lipidique ;Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • la réaction en chaîne par polymérase (polymerase chain reaction ou PCR), dont les applications dans le domaine de la manipulation de l'ADN sont nombreuses.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Tout ceci nécessite la manipulation et la purification de ces molécules en utilisant la chromatographie liquide à haute pression (HPLC en anglais), l'électrophorèse, la cristallogenèse, la cytométrie en flux, le génie génétique et des techniques permettant d'obtenir en quantité suffisante des molécules identiques, telles que la réaction en chaîne par polymérase.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Les appareillages ne sont pas encore capables de « voir » une molécule mais en « éclairant » un grand nombre de molécules identiques avec un rayonnement contrôlé, des rayons X aux ondes radio (RMN, RPE), il est possible d'en déduire leur structure commune par l'analyse du rayonnement réémis. L'utilisation d'un modèle théorique fondamental à base de physique quantique, et donc l'emploi de l'outil informatique, est indispensable.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Le rayonnement réémis est aussi utilisé pour localiser ces molécules dans l'espace ; c'est ce qui est utilisé en imagerie. Cela implique souvent le couplage de la molécule d'intérêt à un fluorophore biophotonique.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Les exemples d'utilisation de ces techniques en médecine sont innombrables. On pourra retenir, par exemple, le génome décodé, sida et protéine TAT (sida et tat (HIV) (en)), utilisation de la RPE.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Une discipline utilise ces différents outils et techniques afin de les appliquer à la médecine : génomique structurale.Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Pour en savoir plus

Sur les autres projets Wikimedia :Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

  • biophysique, sur le WiktionnaireNon vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • Biophysique, sur WikiversityNon vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Bibliographie

  • Marchandise X. et al., Biophysique, Omniscience, collection « Les manuels de référence », 2006Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • Jean Charvolin, Architectures de la matière molle : Des films de savons aux membranes biologiques, Belin, 2008Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×
  • Jean-Pierre Sauvage, Molecular machines and motors, New York : Springer, 2001, 302p., (ISBN 978-3-540-41382-0)Non vérifié Ce passage ne dispose pas encore de vérification factuelle exploitable.×

Articles connexes

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Liens externes

Notes et références

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  1. Jaroslav Kuba, Biophysics: Foundations, Problems, and Solutions, San Diego, CA, Academic Press (Elsevier), 2025↩1 ↩2
  2. « Éléments de biophysique », sur cdn.uclouvain.be (consulté le 15 décembre 2018)↩
  3. (en) Daniel A. Fletcher, Orion D. Weiner et Alba Diz-Muñoz, « In pursuit of the mechanics that shape cell surfaces », Nature Physics, vol. 14, no 7,‎ juillet 2018, p. 648–652 (ISSN 1745-2481, DOI 10.1038/s41567-018-0187-8, lire en ligne, consulté le 15 décembre 2018)↩
  4. (en) Erik Sahai et Xavier Trepat, « Mesoscale physical principles of collective cell organization », Nature Physics, vol. 14, no 7,‎ juillet 2018, p. 671–682 (ISSN 1745-2481, DOI 10.1038/s41567-018-0194-9, lire en ligne, consulté le 15 décembre 2018)↩
  5. (en) Ewa K. Paluch, « Biophysics across time and space », Nature Physics, vol. 14, no 7,‎ juillet 2018, p. 646–647 (ISSN 1745-2481, DOI 10.1038/s41567-018-0206-9, lire en ligne, consulté le 15 décembre 2018)↩
  6. « The chemical basis of morphogenesis », sur dna.caltech.edu (consulté le 15 décembre 2018)↩
  7. « Morphogenèse : les structures de Turing existent bien », sur futura-sciences.com (consulté le 15 décembre 2018)↩
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  6. Présentation — Non vérifiéScientifique en biophysique au stéréomicroscope.

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  7. Présentation — Non vérifiéPartie de | Biologie, physique, physique biomédicale (d)

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  10. Présentation — Non vérifiéPlusieurs domaines de la biologie dans son sens le plus large ont bénéficié des avancées réalisées par la biophysique. L'écologie, l'évolution des espèces, le développement, la médecine, la biologie cellulaire ou encore la biologie moléculaire sont quelques exemples de l'application de la compréhension biophysique.

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  12. Présentation — Non vérifiéréaliser des images internes d'organisme : IRM, radiographie, traiter, détecter des tumeurs cancéreuses : radiothérapie, tomographie par émission de positons ;

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  13. Présentation — Non vérifiémettre en évidence la structure d'éléments constitutifs du vivant : l'ADN ou les protéines ;

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  14. Présentation — Non vérifiémesurer et manipuler de plus en plus précisément les éléments constitutifs du vivant. À titre d'exemple, il est possible d'utiliser des pinces optiques pour déplacer des organites ou bien dérouler la double hélice de l'ADN en mesurant la force appliquée.

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  15. Présentation — Non vérifiéLa biophysique moderne peut être divisée en quelques catégories : la biophysique médicale (imagerie, rayonnement, détection, optique), la biophysique moléculaire (structure des protéines, interactions protéine-protéine, structure en 3D de l'ADN), la biophysique cellulaire (mécanique de la cellule et de ses composants, modélisation de réseaux de signalisation génétiques), la biophysique des tissus (processus de croiss…

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  16. Bref historique — Non vérifiéLes physiologistes, qui furent les premiers biophysiciens, démontrèrent plus tard que les lois de la physique sont nécessaires et suffisantes pour expliquer le vivant. Vers le milieu du XIXe siècle, une école multidisciplinaire se structure à Berlin, autour de figures comme Johannes Müller et Hermann von Helmholtz, et explore en particulier le rôle de courants électriques dans les processus nerveux, ou l'optique phys…

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  18. Aspect théorique — Non vérifiéLa découverte progressive de l'unité des processus physiques intervenant dans toutes les cellules vivantes a été un moteur important pour le développement de la biophysique. Les physiciens cherchent en effet à expliquer l'essentiel des observations en proposant des théories synthétiques. Les succès les plus importants sont obtenus lorsque plusieurs observations dans des contextes différents, chez des organismes diffé…

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  32. Aspect théorique — Non vérifiéphysique statistique hors d'équilibre ;

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  33. Aspect théorique — Non vérifiédynamique des fluides ;

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  34. Aspect théorique — Non vérifiérhéologie ;

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  43. Aspect expérimental — Non vérifiél'imagerie par résonance magnétique (IRM) ;

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  44. Aspect expérimental — Non vérifiéla diffraction de rayons X utilisée en cristallographie, qui permet de résoudre la structure de molécules de toute taille, à la condition qu'elles forment des cristaux réguliers ;

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  45. Aspect expérimental — Non vérifiéla résonance paramagnétique électronique (RPE) ;

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  46. Aspect expérimental — Non vérifiéla résonance plasmon de surface (SPR) ;

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  47. Aspect expérimental — Non vérifiéla spectrométrie de masse, qui permet d'identifier des protéines ;

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  49. Aspect expérimental — Non vérifiéla biophotonique et la microscopie de fluorescence ;

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  50. Aspect expérimental — Non vérifiéla microcalorimétrie, qui mesure les changements de chaleur au cours d'une réaction, par exemple la liaison de molécules d'eau à une protéine ;

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