Biophysique

La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observation des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'origine biologique. À d'autres échelles, la description biophysique sert d'outil référentiel.

Dans le domaine de l'environnement biophysique, la biophysique représente, localement ou globalement, les composants de l'environnement biologique et physique de la biosphère. Les sciences de la terre et de la nature fournissent des informations pour la caractérisation des habitats de l'environnement biophysique.

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, la médecine, la biologie cellulaire ou encore la biologie moléculaire sont quelques exemples de l'application de la compréhension biophysique.

Une approche héritée de la physique y est utilisée pour :

• réaliser des images internes d'organisme : IRM, radiographie, traiter, détecter des tumeurs cancéreuses : radiothérapie, tomographie par émission de positons ;
• mettre en évidence la structure d'éléments constitutifs du vivant : l'ADN ou les protéines ;
• 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.

Ces quarante dernières années, la biophysique d'application médicale a subi une mutation qui a conduit à une approche de plus en plus moléculaire, c'est-à-dire réductionniste, des phénomènes biologiques.

Bref historique

Les physiologistes, qui furent les premiers biophysiciens, démontrèrent plus tard que seules les lois de la physique sont nécessaires et suffisantes pour expliquer tout le vivant. Récemment, puisque plus personne n'invoquait la théorie du vitalisme, cette discipline a muté et a pris pour but la caractérisation des molécules du vivant au moyen de techniques physiques et chimiques.

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 XX^e siècle. Comme pour beaucoup d'autres systèmes possédant un intérêt particulier (liquides, 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 1839, Virchow 1855).

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.

Articles spécialisés :

• Biophysique des membranes :
  • Biophysique des canaux ioniques ;
  • Transport membranaire ;
  • Canal ionique ;
• Polymères biologiques ;
• Biomécanique ;
• Biomécanique des muscles ;
• Moteur moléculaire ;
• Vésicules ;
• Biomimétique.

Domaines de la physique théorique particulièrement importants en biophysique :

• Physique statistique hors d'équilibre ;
• Dynamique des fluides ;
• Rhéologie ;
• Physique des polymères :
• Structure de la matière :
  • Physique de la matière molle ;
• Spectroscopie et rayonnement ;
• Électrostatique, magnétisme.

Aspect expérimental

Diffractomètre pour rayons X à géométrie « kappa », muni d'un système cryogénique et d'un détecteur CCD.

Techniques d'observation développées essentiellement grâce aux progrès en physique :

• la résonance magnétique nucléaire (RMN), qui permet de résoudre la structure tridimensionnelle de petites molécules ;
• l'imagerie par résonance magnétique (IRM) ;
• 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 ;
• la résonance paramagnétique électronique (RPE) ;
• la résonance plasmon de surface (SPR) ;
• la spectrométrie de masse, qui permet d'identifier des protéines ;
• l'électrophysiologie, qui mesure l'activité électrique des cellules, potentiellement d'une seule cellule à la fois grâce à la technique du Patch-clamp ;
• la biophotonique et la microscopie de fluorescence ;
• la microcalorimétrie, qui mesure les changements de chaleur au cours d'une réaction, par exemple la liaison de molécules d'eau à une protéine ;
• la microtensométrie, qui permet de mesurer les forces d'interaction au sein d'une bicouche lipidique ;
• la réaction en chaîne par polymérase (polymerase chain reaction ou PCR), dont les applications dans le domaine de la manipulation de l'ADN sont innombrables.

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.

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 et souvent relié à Internet.

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.

Les exemples d'utilisation de ces techniques en médecine sont innombrables. On pourra retenir, par exemple, le génome décodé, sida et protéine TAT, utilisation de la RPE. Une discipline utilise ces différents outils et techniques afin de les appliquer à la médecine : génomique structurale.

Pour en savoir plus

Bibliographie

• Marchandise X. et al., Biophysique, Omniscience, collection « Les manuels de référence », 2006
• Jean Charvolin, Architectures de la matière molle : Des films de savons aux membranes biologiques, Belin, 2008
• Jean-Pierre Sauvage, Molecular machines and motors, New York : Springer, 2001, 302p., ISBN 978-3-540-41382-0

Articles connexes

• Biochimie
• James Watson
• Biotechnologies
• Système complexe

Liens externes

• (en) http://www.dnaftb.org/dnaftb/41/concept/
• (en) http://molvis.sdsc.edu/visres/
• (fr) http://biophysique.univ-lyon1.fr

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