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Biophysique

La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'intérêt biologique.

Plusieurs domaines de la biologie dans son sens le plus large ont bénéficié des avancées réalisées par la biophysique (La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observations des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'intérêt biologique.). Citons simplement la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la pratique (l'art) étudiant l'organisation du corps humain (anatomie), son fonctionnement normal (physiologie), et cherchant...), la biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie des sciences naturelles et de l'histoire naturelle des...) cellulaire ou encore la biologie moléculaire.

Une approche héritée de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la...) y est utilisée pour:

  • réaliser des images internes d'organisme : IRM, radiographie ou traiter des tumeurs cancéreuses : radiothérapie (La radiothérapie est une méthode de traitement locorégional des cancers, utilisant des radiations pour détruire les cellules cancéreuses en bloquant leur capacité à...)
  • 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 (Hélice est issu d'un mot grec helix signifiant « spirale ». Un objet en forme d'hélice est dit hélicoïdal.) de l'ADN en mesurant la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au...) appliquée.

Ces quarante dernières années, la biophysique a subit une mutation qui a conduit à une approche de plus en plus moléculaire, c'est à dire réductioniste, 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 tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le vivant. Récemment, puisque plus personne n'invoquait la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) 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 physique entend expliquer les phénomènes biologiques par les mêmes lois qui s'appliquent au reste du monde (Le mot monde peut désigner :). Elle est en cela l'héritière directe de la physiologie du début du XXe 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 (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...). Pourtant il existe une unité remarquable au niveau cellulaire, déjà mise en évidence par les premières observations de cellules au microscope (Scleiden 1838, Schwann 1839, Virchow 1855).

La découverte progressive de l'unité des processus physiques intervenant dans toutes les cellules vivantes a été un moteur (Un moteur (du latin mōtor : « celui qui remue ») est un dispositif qui déplace de la matière en apportant de la puissance. Il effectue ce travail à partir d'une énergie (éolienne,...) 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 (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par...) membranaire
    • Canal ionique
  • Polymères biologiques
  • Biomécanique
  • Biomécanique des muscles
  • Moteur moléculaire
  • Vésicules
  • Biomimétique

Domaines de la physique théorique (La physique théorique est la branche de la physique qui étudie l’aspect théorique des lois physiques et en développe le formalisme mathématique.) particulièrement importants en biophysique :

  • Physique statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une...) hors d'équilibre
  • Dynamique des fluides (La dynamique des fluides est l'étude des mouvements des fluides, qu'ils soient liquide ou gaz. La résolution d'un problème de dynamique des fluides demande normalement de calculer diverses...)
  • Rhéologie
  • Physique des polymères (La physique des polymères s'intéresse aux propriétés des matériaux formés de longues molécules, assemblages en chaînes de dizaines de molécules élémentaires : les...)
  • structure de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux....)
    • Physique de la matière molle (La matière molle rassemble des états de la matière ou des matériaux connaissant une réponse forte pour un très faible signal de commande. Par exemple, les cristaux liquides : des molécules présentes dans une fine pellicule de...)
  • Spectroscopie et rayonnement (Le rayonnement est un transfert d'énergie sous forme d'ondes ou de particules, qui peut se produire par rayonnement électromagnétique (par exemple : infrarouge) ou par une désintégration (par exemple : radioactivité...)
  • électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.), magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces attractives ou répulsives d'un objet sur un autre, ou avec des charges électriques en mouvement. Ces objets, dits magnétisables,...)

Aspect expérimental

Techniques d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) développées essentiellement grâce aux progrès en physique :

  • la RMN, résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire est une technique de spectroscopie appliquée aux particules ou ensembles de particules atomiques qui ont un spin nucléaire non nul.), qui permet de résoudre la structure tridimensionnelle de petites molécules,
  • l'IRM, imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit...) par résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se...) magnétique,
  • les rayons X utilisés en cristallographie, qui permettent de résoudre la structure de molécules de toute taille, à la condition qu'elles forment des cristaux réguliers,
    • utilisés en diffractométrie sur un diffractomètre (Le diffractomètre est un appareil permettant de mesurer la diffraction d'une onde sur une cible. Le terme est utilisé exclusivement pour la diffractométrie de rayons X.)
    • composé d'un goniomètre (Un goniomètre est un appareil servant à mesurer les angles.) et d'une caméra (Le terme caméra est issu du latin : chambre, pour chambre photographique. Il désigne un appareil de prise de vues animées, pour le cinéma, la télévision ou la vidéo.) CCD
  • la RPE, résonance paramagnétique électronique,
  • la SPR, surface plasmon resonance,
  • la spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse est une technique d'analyse chimique permettant de détecter et d'identifier des molécules d’intérêt par mesure de leur masse monoisotopique. De plus, la spectrométrie de masse permet de...), qui permet d'identifier des protéines,
  • l'électrophysiologie, qui mesure l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) électrique des cellules,
  • la biophotonique (La biophotonique concerne l'utilisation de la lumière pour l'analyse ou la modification d'objets biologiques.) et la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de...) de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut...),
  • la microcalorimétrie, qui mesure les changements de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent : Quelle chaleur !) au cours d'une réaction, par exemple la liaison de molécules d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) à une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs chaîne(s) d'acides aminés liés entre eux par des liaisons peptidiques. En général, on parle de protéine lorsque la...),
  • la microtensométrie, qui permet de mesurer les forces d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des...) d'une bicouche lipidique,
  • la réaction en chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) 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 (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) à haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) ou en anglais HPLC, l'électrophorèse, la cristallogénèse, la cytométrie en flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines...), le génie génétique (La génétique (du grec genno γεννώ = donner naissance) est la science qui étudie l'hérédité et les gènes.) et des techniques permettant d'obtenir en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) suffisante des molécules identiques, telle que la réaction en chaîne par polymérase.

Les appareillages ne sont pas encore capables de " voir " une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité de matière possédant les...) mais en " éclairant " un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de molécules identiques avec un rayonnement contrôlé, des rayons X aux ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) radio (RMN, RPE), il est possible d'en déduire leur structure commune par l'analyse du rayonnement réémis. À noter que l'électrophysiologie permet de suivre l'activité en temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) réel d'une seule molécule grâce à la technique de patch (Le mot patch est un anglicisme qui à l'origine désigne un morceau de tissu. Il est également employé pour parler d'une rustine de chambre à air. En français, on le retrouve dans différents domaines :) clamp. Ceci nécessite la manipulation d'un très grand nombre de mesures.

L'utilisation d'un modèle théorique fondamental à base de physique quantique et donc l'emploi de l'outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la simplification des actions entreprises, par une plus...) informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de...) est indispensable et souvent relié à l'internet (Internet est le réseau informatique mondial qui rend accessibles au public des services variés comme le courrier électronique, la messagerie instantanée et le World...).

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 (Le génome est l'ensemble du matériel génétique d'un individu ou d'une espèce codé dans son ADN (à l'exception de certains virus dont le génome est...) 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

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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