La faculté STI accueille trois nouveaux professeurs

Maartje Bastings, Romain Fleury et Guillermo Villanueva, trois scientifiques d’excellence, ont rejoint la faculté STI. Ils occupent le poste de professeurs assistant tenure track (PATT). Leur programme : des nanoparticules origami en ADN, des matériaux artificiels pour guider les ondes, et des espions placés dans les cellules.

Depuis le début de l’année, la faculté STI compte trois nouveaux professeurs assistant tenure track (PATT). Maartje Bastings a rejoint l’institut des matériaux, Romain Fleury celui de génie électrique et électronique, et Guillermo Villanueva s’est déplacé à l’Institut de génie mécanique.

Maartje Bastings, Programmable biomaterials laboratory
        
L’ADN : du matériel pour fabriquer des nanoparticules sur mesure
Fraîchement arrivée de Harvard, où elle a effectué son postdoctorat, Maartje Bastings cherche à utiliser l’ADN pour construire des nanoparticules à but thérapeutique. L’ADN, habituellement utilisé comme de l’information génétique, est aussi un matériau de construction extraordinaire. Il permet de façonner la taille, la forme et la structure de nanoparticules avec une précision extrême.

Les brins d’ADN sont composés des quatre nucléotides : adénine (A), cytosine (C), guanine (G) ou thymine (T). L’ordre dans lequel ces nucléotides sont disposés définit une séquence ADN. Naturellement, les nucléotides se regroupent par paire, A allant avec T, et G avec C. En choisissant la longueur d’une séquence, puis en laissant les paires se former, comme une sorte de «pliage», on obtient un origami d’ADN. Le challenge étant de maintenir cette nanoparticule stable dans un environnement cellulaire. «Nous pouvons programmer et construire nos nanoparticules sur mesure, placer des ligands à des endroits précis, et protéger leur structure finale face à l’environnement destructeur à l’intérieur des cellules et des tissus. Cela ouvre de larges possibilités d’application thérapeutique» commente Maartje Bastings.

Créer des vaccins et des organes artificiels
La scientifique est notamment parvenue à construire une nano-capsule pour délivrer des produits thérapeutiques à des cellules spécifiques. Elle a également pu provoquer in vitro une réponse immunitaire chez des cellules, tout comme le font les vaccins. Un exercice très difficile à réaliser avec des nanoparticules classiques, la surface des cellules étant complexe, et bardée de différents capteurs. "L’ADN utilisé pour construire les nanoparticules permet d’obtenir un contrôle et une uniformité parfaits dans la façon dont sont présentés les ligands", précise la chercheuse.         

En parallèle, il est prévu d’utiliser les nanoparticules origami pour faire croître des cellules souches et créer des tissus artificiels. «Ces cellules ont besoin de se sentir comme «à la maison» pour se développer, faute de quoi, elles meurent. En incorporant nos nanoparticules programmées dans une matrice en polymère, nous pourrions leur envoyer exactement les signaux désirés», indique la scientifique. Actuellement, les cellules souches sont placées dans des hydrogels ou matrices coûteux dérivés de tissu cancéreux (carcinome). «Dans ces hydrogels, les ingrédients sont là mais on ne comprend pas très bien quels signaux sont importants pour la prolifération ou l’adhésion cellulaire, par exemple. Avec nos nanoparticules, nous pouvons créer une boîte à outil analytique, semblables, traquer chaque individu, et savoir exactement ce qui se passe. Nous pourrons en apprendre beaucoup plus sur le fonctionnement des cellules».

 

Courte bio :  
Bachelor, Master et Ph.D à l’Université Technique de Eindhoven
Stages à Caltech et à l’Université de Californie à Santa Barbara.
Postdoctorat à l’Université de Harvard/ Wyss institute


Romain Fleury, Laboratoire d’ingénierie des ondes

 

Jouer avec les ondes dans tous les domaines           
Dans son laboratoire d’ingénierie des ondes, Romain Fleury,  étudie les phénomènes ondulatoires dans un sens large, de façon pluridisciplinaire. L’idée consiste à développer des concepts extraordinaires liés à n’importe quel type d’onde, puis de les appliquer à différentes disciplines. Ici, les ondes sismiques, électroniques, optiques ou acoustiques ne connaissent plus de frontières. Tous les concepts sont transverses.

La recherche porte en particulier sur les métamatériaux – des matériaux artificiels- et leur capacité à guider les ondes. Les isolants topologiques, par exemple, récompensés par le prix Nobel de physique 2016, sont super-conducteurs en surface, et isolants à l’intérieur. A la surface, les électrons se déplacent avec une résistance proche de zéro, et dans une seule direction malgré les obstacles, comme sur une route à sens unique. «Nous avons voulu savoir si le comportement des électrons- à la fois onde et corpuscule- pouvait être valable pour les ondes électromagnétiques, si on trouvait un moyen de reproduire leur spin. Nous avons démontré que c’était possible», explique le chercheur.

Les avantages sont multiples. «Habituellement, les ondes électromagnétiques ricochent sur la matière, perdant leur énergie. Ici, nous pouvons guider l’onde dans une seule direction et quasi sans pertes. » Dans le secteur des télécommunications, une startup exploite déjà le brevet licencié déposé par Romain Fleury. Elle souhaite doubler la vitesse des communications 4G. «Les téléphones émettent pour l’instant l’information sur une fréquence, et reçoivent sur une autre. En guidant parfaitement les ondes, il est possible de le faire sur la même fréquence, car rien n’est mélangé. On peut ainsi mieux exploiter la bande passante», indique le scientifique. Et pourquoi pas utiliser cette méthode pour les futurs ordinateurs optiques, par exemple, la nanophotonique, ou pour guider l’énergie lumineuse ou vibratoire et la concentrer en un endroit précis ?

Rendre les objets invisibles
Autre source d’intérêt, l’utilisation de matériaux en deux dimensions pour ralentir la lumière. Il s’agit ici d’utiliser les ondes lentes -qui interagissent plus fortement avec les molécules- pour effectuer du séquençage ADN, par exemple, ou encore de la détection de molécules.

Enfin, Romain Fleury étudie la possibilité de couvrir des objets d’une matière les rendant indétectables par des radars ou des sonars, où même invisibles à l’œil nu. «Dissimuler un humain, comme le fait la cape d’invisibilité de Harry Potter, est extrêmement difficile. La technologie vise plutôt des objets tels que les drones ou des avions. »   

Des doctorants sont actuellement recherchés pour ce laboratoire.    

Courte bio :
Bachelor et master à l’Université de Lille, Lille, France 
Projet de master à l’EPFL
Ph.D à l’Université du Texas à Austin
Postdoctorat à École supérieure de physique et de chimie industrielles de la ville de Paris (ESPCI)     

 

Guillermo Villanueva, Advanced nems lab  

Des feuilles de matériau en guise de capteurs

Anciennement professeur Boursier FNS à l’EPFL, Guillermo Villanueva focalise sa recherche sur de minuscules résonateurs, pour une forme de détection et de communication hors du commun.

Longs d’environ un micron et épais de quelques nanomètres, les résonateurs (NEMS ou nanosystèmes électromécaniques) élaborés par le chercheur sont comme des cordes de guitare, que l’on règle sur une fréquence donnée. Lorsqu’une masse entre en contact avec la nanocorde – une molécule, par exemple-, qu’il y a de l’humidité ou des variations de température, le capteur se déforme et la fréquence de résonance change, permettant une détection ultra-précise. La plupart des résonateurs développés par Guillermo Villanueva est en outre fabriqué en matériau piézoélectrique, c’est à dire qu’il envoie des charges électriques lorsqu’il éprouve une déformation. Le capteur fournit ainsi des informations à la fois sur ses propriétés électriques et ses propriétés mécaniques.

Le chercheur entend aussi utiliser des matériaux en deux dimensions comme le graphène ou le Disulfure de molybdène (MoS2), pour réaliser des feuilles de capteurs. Epaisses de quelques atomes seulement, ces
surfaces sont extrêmement sensibles et détectent d’infimes variations mécaniques, causées par la présence de molécules, notamment.

Des espions placés à l’intérieur des cellules
De part leur taille et leurs propriétés, les résonateurs ont un potentiel allant au-delà de la détection de gaz ou de molécules. Il s’agit par exemple de mesurer les propriétés mécaniques des cellules, en plaçant des résonateurs espions à l’intérieur de celles-ci.

Ces espions, dotés d’une fréquence de résonnance précise, permettent aussi de suivre les cellules individuellement, à la trace. «Cela se fait déjà avec des fluorescences, mais ces dernières s’estompent avec la division cellulaire.  Nos résonateurs restent implantés dans la cellule d’origine», commente Guillermo Villanueva. L’avantage ? «Nous pourrions suivre les cellules malades, étudier la formation de métastases, et comprendre la dynamique des cellules en général, dans le corps humain.»   

Courte bio :
Bachelor et Master en physique à l’Université de Saragosse  
PhD en génie électrique à l’Université autonome de Barcelone
Postdoctorat à Caltech, l’Université Technique du Danemark et à l’EPFL