Membranes hors d'équilibre : échanges et transport actif

M. François Gallet, M. Bertrand Fourcade, M. Loïc Auvray, M. Pierre Falson, M. Philippe DevauxBiological membranes are subjected to many nonequilibrium phenomena that are essential for living cells. In order to get a more complete physical description of these membranes, we have studied both theoretically and experimentally the effect of two nonequilibrium processes on the properties and dynamics of membranes. In a first part, we propose a general theory, completely covariant, of fluid membranes which are subjected to exchanges of biological materials (e.g. lipid vesicles, enzymes or membrane proteins). Using this phenomenology to study fluctuations of such membranes, we have shown that under certain conditions these develops an instability and shoots out a long thin tubule which bear a morphological resemblance to membranes of eukaryotic organelles. We have also applied successfully this model to describe the fusion phenomenon experimentally observed between small and giant charged vesicles mimicking endocytosis phenomena described in living cells. In a second part, we have considered the modification of fluctuations spectrum of membranes induced by transmembrane proteins activity. A theoretical model, developed in labs, taking into account the non-equilibrium activity predicts that the shape fluctuations should be amplified in presence of an additional nonequilibrium noise source. To test experimentally these predictions, I have developped a new general method for the reconstitution of different transmembrane proteins as the ATP-driven pump, Ca2+-ATPase into giant unilamellar vesicles with help of J.-L. Rigaud's biologists group. Using micropipet technique, we have measured both a bending rigidity decrease due to the presence of proteins into the membrane, and an enhanced fluctuation level in active membranes. In particular, our results give a correct order of magnitude for the force dipole energy.Les membranes biologiques sont le centre de nombreux phénomènes hors équilibres qui sont essentiels pour les cellules. Pour une description physique plus complète des biomembranes, nous avons étudié, théoriquement et expérimentalement, les effets de deux processus hors équilibres sur les propriétés de membranes artificielles. Premièrement, nous avons développé une théorie, complètement covariante, des membranes qui sont soumises à des échanges de matériels biologiques (i.e. lipides, enzymes et protéines membranaires). Avec cette description, l'étude des fluctuations de telles membranes nous a montré que, sous certaines conditions, celles-ci peuvent devenir instables en développant un long et fin tubule qui présente certaines similitudes morphologiques avec les membranes des organelles. Nous avons appliqué ce modèle avec succès pour décrire le phénomène de fusion observé expérimentalement entre de petites et de grosses vésicules chargées mimant le phénomène d'endocytose. Deuxièmement, nous avons étudié les effets de l'activité des protéines membranaires sur le spectre des fluctuations. Un modèle théorique qui prend en compte l'activité hors-équilibre des protéines prévoit une amplification des fluctuations lorsqu'un bruit hors-équilibre s'ajoute au bruit thermique. Pour tester expérimentalement ces prévisions, nous avons reconstitué une pompe ATP-dépendante, l'ATPase-Ca2+ dans des vésicules géantes unilamellaires. Puis grâce à la technique d'aspiration par micropipette, nous avons mis en évidence à la fois une décroissance du module de courbure liée à la présence des protéines dans la membrane, et une augmentation des fluctuations dans les membranes actives