Biologie quantitative du développement

Notre équipe étudie le petit ascaris Caenorhabditis elegans (C. elegans) afin de mieux comprendre les principes du développement animal et mais aussi l’apparition de certaines pathologies. Nos recherches s’intéressent à différentes questions fascinantes notamment : Comment le développement peut-il combiner à la fois une grande complexité et une extrême précision ? Comment le développement s’adapte-t-il aux différentes conditions environnementales ? L’adaptation est-elle coordonnée entre les cellules et les tissus ? Pour répondre à ces questions, nous utilisons une stratégie interdisciplinaire à l’interface entre la physique et la biologie, utilisant à la fois des approches expérimentales et théoriques. Notre équipe est donc composée de membres ayant une formation scientifique diversifiée, de la biologie à la physique et l’informatique.

Le développement est le processus par lequel l'œuf fécondé, une cellule unique, se transforme en un organisme multicellulaire pleinement fonctionnel. Au cours de cette transformation, tous les processus cellulaires de base - du cycle de chaque division cellulaire à la formation des organes individuels - doivent être coordonnés avec précision dans le temps et l'espace. Notre équipe s'intéresse à la manière dont cela est réalisé. Notre recherche est motivée par la conviction que les concepts mathématiques et physiques sont indispensables pour mieux comprendre comment l'action collective des réseaux de gènes et des facteurs environnementaux conduit à l'émergence de formes et de modèles biologiques. En fin de compte, nous aimerions révéler les principes conservés au cours de l'évolution de la structuration du développement des métazoaires et exposer les nouveaux mécanismes qui sous-tendent la précision et la robustesse du développement.

Long-term high-resolution imaging of C. elegans larvae with microfluidics. A C. elegans animal immobilized at various post-embryonic stages from L1 (upper left) to L4 (lower right), showing dynamic expression of the miRNA mir-47. Scale bar, 100 um.

We use an interdisciplinary strategy at the interface between physics and biology, employing both experimental and theoretical approaches. Our model organism is the small roundworm Caenorhabditis elegans (C. elegans), a simple multicellular organism with ~1000 cells.  On one end, we develop novel techniques to improve our ability to obtain quantitative high-resolution dynamic data on C. elegans development (live imaging with microfluidics, on-chip perturbations of development, software for automated phenotypic analyses of 4D microscopy data etc.). At the same time, we study a variety of paradigmatic developmental patterning problems in the worm for which high-resolution dynamic imaging data can really transform our understanding of the underlying mechanisms. Finally, we develop theoretical approaches to conceptualise these mechanisms and uncover general principles of development.

(A) Live Nomarksi and fluorescence microscopy of the first two cell divisions during the development of the C. elegans egg-laying organ. YFP visualizes the dynamics of Notch target gene (lst-5) expression (yellow). (B) Fluorescence intensity (lst-5pro::YFP) as a function of time in the precursor cells of the organ.

Our approach relies on a combination of areas of expertise of the group:

(i) Large scale quantitative live-imaging capturing relevant gene expression and protein dynamics as well as developmental phenotypes (i.e. cell-lineages) during C. elegans development

(ii) Cutting-edge microfluidics technologies for high-resolution long-term live-imaging as well as for delivering precise spatiotemporal perturbations of development on-chip;

(iii) State-of-the-art genome editing tools to generate live reporter strains and mutants

(iv) Software tools for automated high-throughput analyses of developmental phenotypes, including, e.g. tracking of cell divisions, gene expression in C. elegans;

(v) Mathematical modeling of gene expression dynamics and cell-fate decisions processes, making quantitative predictions that are testable in experiments.