Biophysique - Définition

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 (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) 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...). Citons simplement la médecine (La médecine (du latin medicus, « qui guérit ») est la science et la...), la biologie cellulaire (La biologie cellulaire, ou cytologie, est une discipline de la biologie étudiant les cellules...) ou encore la biologie moléculaire (La biologie moléculaire (parfois abrégée bio mol ou BM) est une discipline...).

Une approche héritée de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) y est utilisée pour:

• réaliser des images internes d'organisme : IRM, radiographie (La radiographie est l'ensemble des techniques permettant de réaliser des clichés à...) ou traiter des tumeurs cancéreuses : radiothérapie (La radiothérapie est une méthode de traitement locorégional des cancers, utilisant...)
• 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...) de l'ADN en mesurant la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) 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...) le vivant. Récemment, puisque plus personne n'invoquait la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) 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 (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et...) 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 (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...). 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...) 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...) membranaire
  • Canal ionique
• Polymères biologiques
• Biomécanique (La biomécanique est l'exploration des propriétés mécaniques des organismes...)
• 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...) particulièrement importants en biophysique :

• Physique statistique (La physique statistique a pour but d'expliquer le comportement et l'évolution de systèmes...) hors d'équilibre
• Dynamique des fluides (La dynamique des fluides est l'étude des mouvements des fluides, qu'ils soient liquide ou gaz....)
• Rhéologie
• Physique des polymères (La physique des polymères s'intéresse aux propriétés des matériaux formés de longues...)
• structure de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...)
  • Physique de la matière molle (La matière molle rassemble des états de la matière ou des matériaux connaissant une réponse...)
• Spectroscopie et rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de...)
• électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...), magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...)

Aspect expérimental

Techniques d'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) développées essentiellement grâce aux progrès en physique :

• la RMN, résonance magnétique nucléaire (La résonance magnétique nucléaire (RMN), aussi dénommée par son...), 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...) par résonance (La résonance est un phénomène selon lequel certains systèmes physiques...) magnétique,
• les rayons X utilisés en cristallographie (La cristallographie est la science qui se consacre à l'étude des substances cristallines...), 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'un rayonnement sur...)
  • 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...) CCD
• la RPE, résonance paramagnétique électronique,
• la SPR, surface plasmon (Dans un métal, un plasmon est une oscillation de plasma quantifiée. Les oscillations...) resonance,
• la spectrométrie de masse (La spectrométrie de masse (mass spectrometry ou MS) est une technique physique d'analyse...), 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...) et la microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par l'excitation d'une molécule...),
• la microcalorimétrie, qui mesure les changements de chaleur (Dans le langage courant, les mots chaleur et température ont souvent un sens équivalent :...) 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...) à une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs...),
• 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...) au sein d'une bicouche lipidique,
• la réaction en chaîne (Le mot chaîne peut avoir plusieurs significations :) par polymérase (Les polymérases (nom tiré de polymère) (EC 2.7.7.6/7/19/48/49) sont des enzymes qui...) (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 (La chromatographie est une technique de séparation de la chimie analytique pouvant être...) liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est...) à haute pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée...) 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...), le génie génétique (Le génie génétique (ou ingénierie génétique) est un ensemble de...) et des techniques permettant d'obtenir en quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) 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...) mais en " éclairant " un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) 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...) 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...) 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...) clamp. Ceci nécessite la manipulation d'un très grand nombre de mesures.

L'utilisation d'un modèle théorique fondamental à base de physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...) et donc l'emploi de l'outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine...) est indispensable et souvent relié à l'internet (Internet est le réseau informatique mondial qui rend accessibles au public des services...).

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...) 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 (La génomique est une discipline de la biologie moderne. Elle étudie le fonctionnement...) structurale