La Biophysique

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Dr. Brice Payet

La biophysique est cette branche de la connaissance qui applique les principes de la physique et de la chimie et les méthodes d’analyse mathématique et de modélisation informatique aux systèmes biologiques, dans le but ultime de comprendre à un niveau fondamental la structure, la dynamique, les interactions et, en fin de compte, la fonction des systèmes biologiques. La biophysique cherche à expliquer la fonction biologique en termes de propriétés physiques de molécules spécifiques.

Qu’est-ce que la biophysique ?

La biophysique est le domaine qui applique les théories et les méthodes de la physique pour comprendre le fonctionnement des systèmes biologiques. La biophysique a été essentielle pour comprendre les mécanismes de fabrication des molécules de la vie, le mouvement et le fonctionnement des différentes parties d’une cellule, et le fonctionnement des systèmes complexes de notre corps (cerveau, circulation, système immunitaire, etc.).

La biophysique est un domaine scientifique dynamique dans lequel des scientifiques de nombreux domaines, dont les mathématiques, la chimie, la physique, l’ingénierie, la pharmacologie et les sciences des matériaux, utilisent leurs compétences pour explorer et développer de nouveaux outils permettant de comprendre le fonctionnement de la biologie, c’est-à-dire de toute la vie.

La Biophysique : La science de la passerelle !

Les physiciens utilisent les mathématiques pour expliquer ce qui se passe dans la nature. Les scientifiques du vivant veulent comprendre comment fonctionnent les systèmes biologiques. Ces systèmes comprennent des molécules, des cellules, des organismes et des écosystèmes très complexes.

La recherche biologique au 21e siècle implique des expériences qui produisent d’énormes quantités de données. Comment les biologistes peuvent-ils même commencer à comprendre ces données ou à prédire comment ces systèmes pourraient fonctionner ?

C’est là que les biophysiciens entrent en jeu. Les biophysiciens ont une formation unique dans les sciences quantitatives de la physique, des mathématiques et de la chimie et ils sont capables d’aborder un large éventail de sujets, allant de la façon dont les cellules nerveuses communiquent, à la façon dont les cellules végétales capturent la lumière et la transforment en énergie, en passant par la façon dont les changements dans l’ADN des cellules saines peuvent déclencher leur transformation en cellules cancéreuses, à tant d’autres problèmes biologiques.

Histoire de la biophysique

La biophysique est une branche relativement jeune de la science ; elle est apparue comme un sous-domaine précis au début et au milieu du 20e siècle. Toutefois, les bases de l’étude de la biophysique ont été jetées bien plus tôt, au XIXe siècle, par un groupe de physiologistes à Berlin.

L’école berlinoise de physiologistes comprenait Hermann von Helmholtz, Emil DuBois-Reymond, Ernst von Brücke et Carl Ludwig. En 1856, Adolf Fick, l’un des élèves de Ludwig, a même publié le premier manuel de biophysique. Mais la technologie en physique n’était pas encore suffisamment avancée à cette époque pour étudier les formes de vie de manière détaillée, par exemple au niveau moléculaire.

Dans la première moitié du 20e siècle, les scientifiques allemands dominaient la biophysique. Ils ont étudié les champs électromagnétiques et la lumière, et ils se sont surtout intéressés à l’étude des effets des radiations sur les êtres vivants.

La popularité de la biophysique a augmenté lorsque le physicien autrichien Erwin Schrödinger a publié le livre Whatis Life ? en 1944. Ce livre était basé sur une série de conférences publiques que Schrödinger a données sur l’explication des processus des êtres vivants par la physique et la chimie.

Il y proposait l’idée qu’il y avait une molécule dans les êtres vivants qui contenait des informations génétiques dans des liaisons covalentes. Cela a inspiré des scientifiques tels que James Watson et Francis Crick à rechercher et à caractériser la molécule génétique, et avec l’aide des recherches de Rosalind Franklin en cristallographie à rayons X, ils ont découvert la structure en double hélice de l’ADN en 1953.

Au milieu du 20e siècle, des programmes de biophysique ont vu le jour et ont gagné en popularité dans d’autres pays, et de 1950 à 1970, la recherche en biophysique s’est développée à un rythme plus rapide que jamais. Outre la découverte de l’ADN et de sa structure, les techniques biophysiques ont également été utilisées pour créer des vaccins, développer des techniques d’imagerie telles que l’IRM et la tomodensitométrie pour aider les médecins à diagnostiquer les maladies, et créer de nouvelles méthodes de traitement telles que la dialyse, la radiothérapie et les stimulateurs cardiaques.

Actuellement, la biophysique a également commencé à se concentrer sur les questions liées au changement climatique de la Terre. Par exemple, certains biophysiciens travaillent sur le développement de biocarburants à partir de microorganismes vivants qui pourraient remplacer l’essence comme carburant.

Que font les biophysiciens ?

Les biophysiciens travaillent à la mise au point de méthodes pour vaincre les maladies, éradiquer la faim dans le monde, produire des sources d’énergie renouvelable, concevoir des technologies de pointe et résoudre d’innombrables mystères scientifiques. En bref, les biophysiciens sont en première ligne pour résoudre les problèmes humains séculaires ainsi que les problèmes de l’avenir.

Analyse et structure des données

La structure de l’ADN a été résolue en 1953 grâce à la biophysique, et cette découverte a été essentielle pour montrer comment l’ADN est comme un modèle de vie.

Aujourd’hui, nous pouvons lire les séquences d’ADN de milliers d’êtres humains et de toutes les variétés d’organismes vivants. Les techniques biophysiques sont également essentielles à l’analyse de ces vastes quantités de données.

Modélisation par ordinateur

Les biophysiciens développent et utilisent des méthodes de modélisation informatique pour voir et manipuler les formes et les structures des protéines, des virus et d’autres molécules complexes, des informations cruciales nécessaires pour développer de nouvelles cibles de médicaments ou comprendre comment les protéines mutent et provoquent la croissance des tumeurs.

Les molécules en mouvement

Les biophysiciens étudient comment les hormones se déplacent dans la cellule et comment les cellules communiquent entre elles. Grâce à des marqueurs fluorescents, les biophysiciens ont pu faire briller les cellules comme une luciole sous un microscope et découvrir le système de transit interne sophistiqué de la cellule.

Neurosciences

Les biophysiciens construisent des modèles informatiques appelés réseaux neuronaux pour modéliser le fonctionnement du cerveau et du système nerveux, ce qui permet de mieux comprendre le traitement des informations visuelles et auditives.

Bio-ingénierie, nanotechnologies, biomatériaux

La biophysique a également été essentielle pour comprendre la biomécanique et appliquer ces informations à la conception de meilleures prothèses et de meilleurs nanomatériaux pour l’administration des médicaments.

Imagerie

Les biophysiciens ont mis au point des techniques d’imagerie diagnostique sophistiquées, notamment l’IRM, la tomodensitométrie et la TEP. La biophysique reste essentielle au développement d’une technologie encore plus sure, plus rapide et plus précise pour améliorer l’imagerie médicale et nous en apprendre davantage sur le fonctionnement interne du corps.

Applications médicales

La biophysique a été essentielle au développement de nombreux traitements et dispositifs permettant de sauver des vies, notamment la dialyse rénale, la radiothérapie, les défibrillateurs cardiaques, les stimulateurs cardiaques et les valves cardiaques artificielles.

Écosystèmes

La biophysique environnementale mesure et modélise tous les aspects de l’environnement, de la stratosphère aux cheminées des grands fonds marins. Les biophysiciens de l’environnement étudient les diverses communautés microbiennes qui vivent dans chaque niche de la planète, ils suivent les polluants dans l’atmosphère et trouvent des moyens de transformer les algues en biocarburants.

Domaines de la biophysique

La biophysique est intégrée dans de nombreux domaines de la biologie. Parmi les sujets de recherche en biophysique ou impliquant la biophysique, on peut citer

Biophysique membranaire :

Etude de la structure et de la fonction des membranes cellulaires, y compris les canaux ioniques, les protéines et les récepteurs qui y sont intégrés.

Biophysique computationnelle/théorique :

Utilisation de la modélisation mathématique pour étudier les systèmes biologiques.

Ingénierie des protéines :

Création et modification de protéines pour faire progresser la biologie synthétique. Souvent utilisée pour faire progresser la santé humaine sous la forme de nouveaux traitements de maladies.

Structures moléculaires :

La biophysique étudie les structures moléculaires des molécules biologiques, y compris les protéines, les acides nucléiques et les lipides.

Mécanismes :

Utilisation de mécanismes physiques pour expliquer l’apparition de processus biologiques. Certains mécanismes physiques comprennent la transduction d’énergie dans les membranes, le pliage et la structure des protéines menant à des fonctions spécifiques, le mouvement des cellules et le comportement électrique des cellules.

Major en biophysique

Certaines universités proposent des diplômes de premier cycle (Bachelor of Arts ou Bachelor of Science) en biophysique, tandis que d’autres ne proposent qu’un diplôme de biophysique au niveau du deuxième cycle (c’est-à-dire une maitrise et/ou un doctorat).

Les diplômes de biophysique sont fortement axés sur les cours de physique et de biophysique, et ceux qui se spécialisent en biophysique doivent généralement suivre également de nombreux cours de mathématiques et de chimie.

Au niveau du premier cycle universitaire, on peut s’attendre à suivre des cours de chimie générale et organique, de calcul, de mécanique, d’algèbre linéaire et de biochimie.

D’autres cours sont également possibles, notamment en biologie cellulaire, en génétique, en biologie moléculaire, en statistiques et en biologie computationnelle.

Un autre élément important de nombreux diplômes de biophysique est la recherche ; certains programmes exigent que la recherche soit effectuée dans un laboratoire pendant un certain nombre de semestres, pour aboutir à un projet de recherche de haut niveau.

Les cours spécifiques proposés dans un programme de majeure en biophysique peuvent varier d’une université à l’autre, mais une majeure en biophysique préparera adéquatement un étudiant à commencer sa carrière dans la recherche en biophysique.

Si un étudiant s’intéresse à la biophysique, mais que son école ne propose pas de diplôme de biophysique, il existe souvent des programmes comparables dans d’autres majeures qui comprennent une grande partie des mêmes cours.

Une spécialisation en physique est une autre bonne option, et on peut envisager d’ajouter une autre majeure ou une mineure en biochimie, chimie ou biologie, selon les intérêts de recherche et les programmes proposés.

Carrières en biophysique

Les options de carrière les plus courantes pour les biophysiciens comprennent la recherche, l’enseignement ou une combinaison des deux. Une maitrise est généralement nécessaire pour devenir professeur de biophysique, chef de laboratoire ou associé de recherche, tandis qu’un doctorat est nécessaire pour être le chercheur principal d’un laboratoire de recherche.

Les chercheurs principaux conçoivent les expériences et supervisent toutes les recherches effectuées dans un laboratoire, tandis que les directeurs de laboratoire et les associés de recherche ont un rôle de soutien plus important et aident le chercheur principal à mener ses recherches.

Les titulaires d’une licence peuvent obtenir des postes de techniciens de recherche, qui sont également importants dans le laboratoire. Les techniciens de recherche effectuent une grande partie du travail de laboratoire des expériences scientifiques, ce qui laisse au chercheur principal le temps de rédiger des articles scientifiques, des propositions de recherche et des subventions.

Où travaillent les biophysiciens ?

Les biophysiciens sont des enseignants et des chercheurs en biologie, en physique, en ingénierie et dans bien d’autres domaines. Ils travaillent dans des universités, des hôpitaux, des start-ups technologiques et des sociétés d’ingénierie qui développent de nouveaux tests de diagnostic, des systèmes d’administration de médicaments ou des biocarburants potentiels.

Les biophysiciens développent des modèles informatiques pour découvrir pourquoi une nouvelle souche de grippe échappe au système immunitaire ou ils réalisent des modèles 3D de nouvelles structures protéiques pour mieux comprendre leur fonctionnement.

Ils pratiquent le droit dans des domaines spécialisés comme la propriété intellectuelle, écrivent sur la science pour des publications imprimées et en ligne, et travaillent au sein du gouvernement pour conseiller les assemblées législatives. Ceux qui ont une formation en biophysique ont des possibilités de carrière illimitées.

La biophysique est l’étude des phénomènes physiques et des processus physiques chez les êtres vivants, à des échelles couvrant les molécules, les cellules, les tissus et les organismes. Les biophysiciens utilisent les principes et les méthodes de la physique pour comprendre les systèmes biologiques. Si vous êtes un scientifique dans l’âme et que vous voulez faire de la biophysique votre domaine de carrière, n’oubliez pas qu’il vous faudra faire preuve de résilience, de persévérance, mais surtout de passion. Alors, suivez votre rêve et n’abandonnez jamais, vous réussirez !

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