The aim of the course is to discuss the physical properties of cell components and to present certain physics problems posed by cellular processes either at the molecular scale (DNA, molecular motors) or at the cell scale ( organization of the cytoskeleton). Theoretical concepts and experimental techniques are presented to study these systems at different scales. This course is for students who are interested in both questions asked in biology and physics complex systems (statistical physics, soft matter).

I. Biological Molecules - Polymerization - Dynamic Force Spectroscopy

II. Biological polymers
Gaussian and semi-rigid polymer. Torsion, stretching and degrading of DNA - collapse and denaturation of proteins in the presence of forces.

III. Cytoskeletal filaments - Motor proteins
Rigidity of actin and microtubules - in-vivo and in-vitro measurements - actin gels. Function of motor proteins. Multi-state systems and transitions between states. Muscle contraction, flapping flagella. Thermal ratchet model.

IV. Fluctuation and response in cellular systems
Theorem fluctuation / dissipation - bacterial displacement "Run and tumble" and Brownian particle model - Random walk in a non homogeneous medium. Phase transition.

V. Mechano-transduction: influence of mechanical stresses on cellular and tissue responses
Vascular development constrained by blood flow, Cell adhesion in the context of tumor propagation mediated by blood flow. Through these 2 examples we will study the experimental tools allowing the quantification of the events then the installation of theoretical models explaining the biological phenomena induced by the hemodynamic stresses.

VI. Chemical Reactions
Enzymology at the level of a single molecule. Enzyme Reactions - Model of Michaelis and Menten. Poisson process. Statistical analysis of reaction rates.
Version française

Le but du cours est de discuter les propriétés physiques des composants de la cellule et présenter certains problèmes de physique posés par les processus cellulaires soit a` l’échelle de la molécule (ADN, moteurs moléculaires), soit a` l’échelle de la cellule (organisation du cytosquelette). On y présente les concepts théoriques et les techniques expérimentales pour étudier ces systèmes aux différentes échelles. Ce cours s’adresse aux étudiants qui sont intéressés à la fois par les questions posées en biologie et en physique des systèmes complexes (physique statistique, matière molle).

I. Molécules biologiques – Polymérisation - Spectroscopie de force dynamique.

II. Polymères biologiques
Polymère gaussien et semi-rigide – Torsion , étirement et degreffage de l’ADN – effondrement et dénaturation des protéines en présence de forces.

III. Filaments du cytosquelette – Protéines motrices
Rigidité de l’actine et des microtubules – mesures in-vivo et in-vitro – Gels d’actines. Fonction des protéines motrices. Systèmes à plusieurs états et transitions entre les états. Contraction des muscles, battement de flagelles. Modèle de cliquet thermique.
IV. Fluctuation et réponse dans les systèmes cellulaires
Théorème fluctuation/dissipation – déplacement bactérienne « Run and tumble » et modèle de particule brownienne – Marche aléatoire biaisée dans un milieu non homogène. Transition de phases.
V. Mécano-transduction : influence des contraintes mécaniques sur les réponses cellulaires et tissulaires.
Développement vasculaire contraint par le flux sanguin, Adhésion cellulaire dans le cadre de la propagation tumorale médiée par le flux sanguin. A travers ces 2 exemple s nous étudierons les outils expérimentaux autorisant la quantification des évènements puis la mise en place de modèles théoriques expliquant les phénomènes biologiques induit par les contraintes hémodynamiques.
VI. Réactions chimiques - Enzymologie à l’échelle d’une molécule unique.
Réactions enzymatiques -Modèle de Michaelis et Menten. Processus de Poisson. Analyse statistique des taux de réaction.