Contrôle spatial et temporel des systèmes biologiques in vitro

Actin cytoskeleton regulate cell shape over time. To understand that, we have to studymolecular mechanisms that constitute actin cytoskeleton. In vivo, those mechanismsare hidden by cellular complexity. If we achieve to reproduce piece by piece actincytoskeleton in vitro and if we can control it in space and time, then we are able toelucidate the secrets of it operate. This thesis show that we have developed thetechnology that allow us to do it for a few actin cytoskeleton architectures.We have developed new micro-patterning methods to control actin monomersnucleation into two-dimensional space. This led us to the reconstitution and guidanceof parallel actin filament networks with same polarity and allowed us to reconstituteactin contractil ring.I created an innovating microfluidic chip to control biochemical composition ofreconstituted actin systems over time. This allowed us to control kinetics of freeindividual actin filament polymerisation and to control the intervention sequence ofproteins on parallel actin filament networks.Finaly, we used the microfluidic chip to study hematopoïetic stem cellsdifferentiation.Le cytosquelette d’actine régule la forme de la cellule au cours du temps. Pour lecomprendre, il faut étudier les mécanismes moléculaires qui le constituent. In vivo,ces mécanismes sont masqués par la complexité du vivant. Si nous parvenons àreproduire pièce par pièce le cytosquelette d’actine in vitro et si nous pouvons lecontrôler, aussi bien dans l’espace et dans le temps, alors nous pourrons élucider lessecrets de son fonctionnement. Cette thèse montre que nous avons maintenantdéveloppé la technologie qui nous permet de le faire pour certaines architectures ducytosquelette d’actine.Nous avons développé de nouvelles méthodes de « micropatterning » pour contrôlerla nucléation des monomères d’actine dans l’espace en deux dimensions. Ceci nous aamenés à la reconstitution et au guidage de réseaux de filaments d’actine parallèles àpolarité identique et à la reconstitution de l’anneau de cytocinèse.J’ai crée une puce microfluidique innovante pour contrôler la compositionbiochimique des systèmes d’actine reconstitués au cours du temps. Ceci nous a permisde contrôler la cinétique de polymérisation du filament d’actine individuel libre, et decontrôler la séquence d’intervention des protéines sur les réseaux de filamentsd’actine parallèles à polarité identique.Enfin, nous avons utilisé cette même puce microfluidique pour étudier ladifférentiation des cellules souches hématopoïétiques

Spatial and time control of micro-environment of in vitro biosystems

Le cytosquelette d’actine régule la forme de la cellule au cours du temps. Pour lecomprendre, il faut étudier les mécanismes moléculaires qui le constituent. In vivo,ces mécanismes sont masqués par la complexité du vivant. Si nous parvenons àreproduire pièce par pièce le cytosquelette d’actine in vitro et si nous pouvons lecontrôler, aussi bien dans l’espace et dans le temps, alors nous pourrons élucider lessecrets de son fonctionnement. Cette thèse montre que nous avons maintenantdéveloppé la technologie qui nous permet de le faire pour certaines architectures ducytosquelette d’actine.Nous avons développé de nouvelles méthodes de « micropatterning » pour contrôlerla nucléation des monomères d’actine dans l’espace en deux dimensions. Ceci nous aamenés à la reconstitution et au guidage de réseaux de filaments d’actine parallèles àpolarité identique et à la reconstitution de l’anneau de cytocinèse.J’ai crée une puce microfluidique innovante pour contrôler la compositionbiochimique des systèmes d’actine reconstitués au cours du temps. Ceci nous a permisde contrôler la cinétique de polymérisation du filament d’actine individuel libre, et decontrôler la séquence d’intervention des protéines sur les réseaux de filamentsd’actine parallèles à polarité identique.Enfin, nous avons utilisé cette même puce microfluidique pour étudier ladifférentiation des cellules souches hématopoïétiques.Actin cytoskeleton regulate cell shape over time. To understand that, we have to studymolecular mechanisms that constitute actin cytoskeleton. In vivo, those mechanismsare hidden by cellular complexity. If we achieve to reproduce piece by piece actincytoskeleton in vitro and if we can control it in space and time, then we are able toelucidate the secrets of it operate. This thesis show that we have developed thetechnology that allow us to do it for a few actin cytoskeleton architectures.We have developed new micro-patterning methods to control actin monomersnucleation into two-dimensional space. This led us to the reconstitution and guidanceof parallel actin filament networks with same polarity and allowed us to reconstituteactin contractil ring.I created an innovating microfluidic chip to control biochemical composition ofreconstituted actin systems over time. This allowed us to control kinetics of freeindividual actin filament polymerisation and to control the intervention sequence ofproteins on parallel actin filament networks.Finaly, we used the microfluidic chip to study hematopoïetic stem cellsdifferentiation

Nucleation geometry governs ordered actin networks structures.

International audienceActin filaments constitute one of the main components of cell cytoskeleton. Assembled into bundles in filopodia or in stress fibres, they play a pivotal role in eukaryotes during cell morphogenesis, adhesion and motility. The bundle emergence has been extensively related to specific actin regulators in vivo. Such dynamic modulation was also highlighted by biochemical reconstitution of the actin-network assembly, in bulk solution or with biomimetic devices. However, the question of how geometrical boundaries, such as those encountered in cells, affect the dynamic formation of highly ordered actin structures remains poorly studied. Here we demonstrate that the nucleation geometry in itself can be the principal determinant of actin-network architecture. We developed a micropatterning method that enables the spatial control of actin nucleation sites for in vitro assays. Shape, orientation and distance between nucleation regions control filament orientation and length, filament-filament interactions and filopodium-like bundle formation. Modelling of filament growth and interactions demonstrates that basic mechanical and probabilistic laws govern actin assembly in higher-order structures

Design of a 2D no-flow chamber to monitor hematopoietic stem cells.

International audienceHematopoietic stem cells (HSCs) are the most commonly used cell type in cell-based therapy. However, the investigation of their behavior in vitro has been limited by the difficulty of monitoring these non-adherent cells under classical culture conditions. Indeed, fluid flow moves cells away from the video-recording position and prevents single cell tracking over long periods of time. Here we describe a large array of 2D no-flow chambers allowing the monitoring of single HSCs for several days. The chamber design has been optimized to facilitate manufacturing and routine use. The chip contains a single inlet and 800 chambers. The chamber medium can be renewed by diffusion within a few minutes. This allowed us to stain live human HSCs with fluorescent primary antibodies in order to reveal their stage in the hematopoiesis differentiation pathway. Thus we were able to correlate human HSCs' growth rate, polarization and migration to their differentiation stage