Systèmes Complexes et Phénomènes Non linéaires (SCPN)

L’équipe est impliquée dans l’étude théorique des systèmes complexes issus de la biologie, des sciences de la terre et de l’environnement, ainsi que de la physique de la matière condensée. Dans notre étude de ces sujets transdisciplinaires, nous développons des concepts de physique fondamentale pour élucider le comportement des systèmes complexes et de la matière active. Nous utilisons des outils analytiques (méthodes variationnelles et asymptotiques, équations différentielles stochastiques,…) et des méthodes numériques (Monte Carlo, dynamique brownienne, dynamique moléculaire, …) issus de la physique mathématique, de la mécanique statistique et des processus stochastiques, de la physique non-linéaire, de la mécanique des fluides et de la matière condensée. Les activités de recherche sont menées en étroite collaboration avec des expérimentateurs en physique, biophysique, biochimie, biologie, bio-informatique, chimie et géosciences.

L’équipe se concentre principalement sur l’élucidation de la physique de l’organisation spatio-temporelle de l’espace intracellulaire (cytoplasme) à grande échelle. A cette échelle, malgré le caractère aléatoire et le désordre intrinsèque à l’échelle nanoscopique ainsi que la complexité de l’environnement biologique, il s’avère possible de développer des approches physiques fructueuses : des phénomènes tels que les transitions de phase, par exemple, apparaissent comme des concepts utiles pour étudier quantitativement la régulation des processus biologiques en tant que phénomènes auto-organisés. Un projet clé toujours en cours dans ce domaine en collaboration avec J-Y BOUET (CBI, Toulouse) concerne la ségrégation active et le positionnement du génome bactérien via le système ParABS, qui est majoritairement utilisé pour la ségrégation de l’ADN chez les procaryotes (bactéries). Ce projet a été soutenu par des financements de l’ANR, du CNRS et du LabEx NUMEV.

Notre expérience en physique statistique des systèmes « ADN-protéines », combinée à notre expertise en transport actif le long des filaments, a permis à l’équipe de jouer un rôle clé dans le projet « Gene Expression Modeling » (GEM) (soutenu par un projet Etendard NUMEV). Cette collaboration totalement nouvelle entre biologistes (IGMM et IGH, Montpellier), bio-informaticiens (LIRMM, Montpellier) et physiciens théoriciens (équipe SCPN) a permis de construire des modèles physiques de l’expression génétique (des gènes aux protéines via les mécanismes de transcription et de traduction) à l’échelle du génome humain entier, en exploitant en particulier l’expertise de l’équipe SCPN dans les processus de transport actif et la physique des polymères hors-équilibre.

Toujours dans le cadre de la physique du génome, l’équipe travaille en collaboration avec le CBS (M. Nollmann), l’IGH (G. Cavalli) et le Département de physique de l’université KU-Leuven (E. Carlon) sur l’organisation spatiale du génome eucaryote afin de comprendre les mécanismes épigénétiques de répression, activation et expression des gênes. L’équipe a joué et continue de jouer un rôle de premier plan dans des projets relevant de la nanofluidique théorique (phénomènes de transport passif et actif dans les nanostructures, y compris les nanotubes de carbone), de la mécanique des fluides complexes et de la physique environnementale (modélisation de l’interaction vent / vagues), ainsi que de la physique du moteur flagellaire bactérien en collaboration avec le CBS (F. Pedaci et A. Nord), de l’organisation spatio-temporelle des complexes de respiration bactérienne, de phénomènes de transport cytosquelettique intracellulaire et notamment de leur couplage au mécanisme de traduction ribosomale dans la cellule saine et malade (en relation avec l’émergence de maladie neuro-dégénérative). L’équipe développe également de nouveaux projets dans le domaine de la dynamique des populations d’organismes avec des implications pratiques dans le contrôle des maladies des cultures. Par ailleurs, l’équipe conserve une activité dans le domaine des dispositifs électroniques, de spin et de plasma. En résumé, l’équipe SCPN utilise de plus en plus des méthodes et des concepts de la mécanique statistique, des processus stochastiques, de la physique des polymères et de la dynamique non-linéaire pour comprendre les principes physiques de l’organisation et de la dynamique de la matière biologique. Notre objectif est d’ouvrir de nouvelles perspectives en physique théorique des systèmes complexes à l’équilibre et hors équilibre thermodynamique, en particulier pour les petits systèmes présentant de fortes fluctuations et corrélations.

L’équipe compte un pourcentage élevé d’enseignants-chercheurs de l’UM qui assument des tâches d’enseignement et des tâches administratives étendues, y compris des responsabilités dans la formation des étudiants, les modules d’enseignement et les filières de premier cycle (« Licence-pro Couleur ») et de deuxième cycle (Master « Physique et Ingénierie du Vivant »). Ses membres apportent également une contribution importante à la communauté scientifique par l’organisation de séminaires, de réunions internationales, d’écoles d’été, la participation aux actions nationales de l’Institut de Physique du CNRS (voir la perspective nationale sur le futur de la physique en 2030 et après – https://www.inp.cnrs.fr/fr/prospective-scientifique), la participation à des initiatives d’excellence telles que le LabEx NUMEV – https://numev.edu.umontpellier.fr/ et la participation aux instances universitaires (Pôle de recherche MIPS – Mathématiques, Informatique, Physique et Systèmes – https://www.umontpellier.fr/recherche/unites-de-recherche/pole-mips).

Thèmes de recherche :

• Principes de physique théorique de la matière active et biologique
• Transport unidirectionnel de particules avec exclusion – modélisation de la traduction de l’ARNm par des ribosomes
• Nanofluidique théorique : phénomènes de transport passif et actif dans les nanostructures
• Mécanique des fluides complexe et physique de l’environnement
• La physique théorique de la matière condensée

Contrats de recherche :

1. Projet ANR 2024 BaDS – Mechanism and Modeling of Bacterial DNA Segregation – en collaboration avec J-Y Bouet (CBI, Toulouse). Prévision de recrutement d’un étudiant en doctorat dans notre équipe.
2. Projet ANR 2023 BaElMec : «électro-mécanique du flagelle bactérien». 1 stagiaire M2, 1 doctorant (démarrage en oct. 2024), 1 post-doc en cours sur la modélisation de la physique du moteur du flagelle bactérien. Suite du projet ANR FlagMotor (2019-2023), collaboration avec des expérimentateurs biophysiciens F. Pedaci et A. Nord (CBS Montpellier).
3. Projet Etendard « Gene Expression Modeling » (GEM) du LabEx NUMEV (2017-2021), la modélisation de l’expression des gènes (L2C). Encadrement d’un postdoc et d’un doctorant ; Co-porté par l’équipe en collaboration avec E. Rivals (LIRMM).
4. Projet ANR FlagMotor (2019-2023), la physique du moteur du flagelle bactérien (L2C), une thèse soutenue en 2023. Collaboration avec des biophysiciens expérimentateurs : F. Pedaci et A. Nord (CBS Montpellier).
5. Projet ANR IONESCO (2019-2023), la physique du transport ionique dans les nanopores uniques (L2C). Collaboration avec V. Jourdain, F. Henn et A. Noury (L2C); M. Manghi (LPT-Toulouse); F. Picaud et G. Herlem (LNIT, Besançon).
6. GDRi IPOLS (International Physics of Living Systems) : mise en place d’une collaboration internationale avec l’Université de Princeton (USA) – Princeton : accueil du Prof. N. Wingreen (Princeton) à Montpellier en 2017, une publication en commun; mise en place d’une collaboration européenne avec l’Université Ludwig-Maximilian (Munich) (visite du Prof. C. Broedersz à Montpellier en 2016 et 2 publications en commun). Participation aux conférences annuelles : Paris 2017, Montpellier 2022, Atlanta (USA) 2023, Trieste 2024.
7. Projet financé par Collaborative PhD Training Network, I-SITE MUSE, U. Montpellier (2020-2024) : « 3D Genome : understanding the biological and physical mechanisms involved in the establishment and regulation of chromatin domains». Collaboration avec M. Nollmann (Centre de Biochimie Structurale, CBS Montpellier), G. Cavalli (IGH Montpellier), E. Carlon (Leuven) (une publication en commun).
8. Projet MITI−PRIME CNRS NUMACOILED, Nucleation mechanism for the auto−assembly of a large nucleoprotein complex on supercoiled DNA (2019−2020). Collaboration avec J-Y BOUET (Biologiste, CBI-Toulouse)
9. Projet ANR IBM (IMAGING AND MODELING BACTERIAL MITOSIS, 2016-2019), Mécanismes de ségrégation du génome bactérien (L2C). Collaboration avec J-Y BOUET (Biologiste, CBI-Toulouse) et M. Nollmann (CBS Montpeliier).
10. Projet ANR TRANSION (2014-2017) (L2C). TRANSport IONique au sein de canaux−ioniques biologiques confinés dans des nanopores. Collaboration avec V. Jourdain, F. Henn et A. Noury (L2C); M. Manghi (LPT-Toulouse); F. Picaud et G. Herlem (LNIT, Besançon).
11. Projet ANR D2OX (2021-2024). Objectif : fournir pour la première fois une description quantitative de la distribution et de la dynamique d’une chaîne entière de transfert d’électrons à l’échelle de la molécule et de la cellule unique. Collaboration avec A. Magalon (Laboratoire de Chimie Bactérienne, Marseille) et D. Marguet (Centre d’Immunologie de Marseille Luminy, Marseille).
12. Projet ANR Translaxon (2020-2024). Objectif : decrire experimentalement comment la trandution locale de l’ARN-m impacte les maladies neurodegeneratives. Collaboration avec F. Rage (IGMM), B. Charlot (IES) et E. Bertrand (IGH).
13. Projet IHU Immun4cure (2023-2033). Objectif : participer à l’effort montpelliérain en thérapie immunologique de maladies auto-immunitaire comme l’arthrose et l’arthrite par l’aide de la modélisation physico-mathématique et l’analyse des données. Collaboration : Projet IHU Immun4Cure (C. Jorgensen, IRMB).
14. Projet MITI−CNRS “Défi pour le vivant”: COILCHROM, Sensing DNA supercoiling in vivo (2019−2020). Collaboration avec Jean-Yves BOUET (Biologiste, CBI-Toulouse)
15. Projet MITI−PRIME CNRS NUMACOILED, Nucleation mechanism for the auto−assembly of a large nucleoprotein complex on supercoiled DNA (2019−2020). Collaboration avec Jean-Yves BOUET (Biologiste, CBI-Toulouse).
16. Projet, MITI CNRS Adaptation du Vivant à son Environnement 2022, porteur Guillaume MARTIN (ISEM, Montpellier) – Objectif : étudier la dynamique des populations bactriennes sous contraintes et stress antibiotique.