Biophysique - Définition

Introduction

La biophysique est une discipline à l'interface de la physique et la biologie où les outils d'observation des phénomènes physiques sont appliqués aux molécules d'origine biologique. À d'autres échelles, la description biophysique sert d'outil référentiel.

Dans le domaine de l'environnement biophysique, la biophysique représente localement ou globalement, les composants de l'environnement biologique et physique de la biosphère. Les sciences de la terre et de la nature fournissent des informations pour la caractérisation des habitats de l'environnement biophysique.

Plusieurs domaines de la biologie dans son sens le plus large ont bénéficié des avancées réalisées par la biophysique. L'écologie, l'évolution des espèces, la médecine, la biologie cellulaire ou encore la biologie moléculaire sont quelques exemples de l'application de la compréhension biophysique.

Une approche héritée de la physique y est utilisée pour:

• réaliser des images internes d'organisme : IRM, radiographie ou traiter des tumeurs cancéreuses : radiothérapie
• 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 de l'ADN en mesurant la force appliquée.

Ces quarante dernières années, la biophysique d'application médicale, a subi une mutation qui a conduit à une approche de plus en plus moléculaire, c'est-à-dire réductionniste, 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 vivant. Récemment, puisque plus personne n'invoquait la théorie 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 expérimental

Techniques d'observation développées essentiellement grâce aux progrès en physique :

• la RMN, résonance magnétique nucléaire, qui permet de résoudre la structure tridimensionnelle de petites molécules,
• l'IRM, imagerie par résonance 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
  • composé d'un goniomètre et d'une caméra CCD
• la RPE, résonance paramagnétique électronique,
• la SPR, surface plasmon resonance,
• la spectrométrie de masse, qui permet d'identifier des protéines,
• l'électrophysiologie, qui mesure l'activité électrique des cellules, potentiellement d'une seule cellule à la fois grâce à la technique du Patch-clamp.
• la biophotonique et la microscopie de fluorescence,
• la microcalorimétrie, qui mesure les changements de chaleur au cours d'une réaction, par exemple la liaison de molécules d'eau à une protéine,
• la microtensométrie, qui permet de mesurer les forces d'interaction au sein d'une bicouche lipidique,
• la réaction en chaîne 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 à haute pression ou en anglais HPLC, l'électrophorèse, la cristallogénèse, la cytométrie en flux, le génie génétique et des techniques permettant d'obtenir en quantité suffisante des molécules identiques, telle que la réaction en chaîne par polymérase.

Les appareillages ne sont pas encore capables de « voir » une molécule mais en « éclairant » un grand nombre de molécules identiques avec un rayonnement contrôlé, des rayons X aux ondes radio (RMN, RPE), il est possible d'en déduire leur structure commune par l'analyse du rayonnement réémis.

L'utilisation d'un modèle théorique fondamental à base de physique quantique, et donc l'emploi de l'outil informatique, est indispensable et souvent relié à Internet.

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 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.