Faculté des Sciences - Actions de Recherche Concertée (ARC)


Projets ARC 2016-2021

ARC avancés


Recherche des neutrinos émis par la matière noire

Porte-parole:
Thomas Hambye, Physique théorique

La matière noire est cinq fois plus abondante dans l’Univers que la matière "ordinaire", mais ce dont elle est composée reste pourtant assez peu connu. La question principale encore ouverte est : quelle est la nature de la matière noire en tant que particules ?

En 2013, l’expérience IceCube (rassemblant des scientifiques de 12 pays dont une équipe de l’ULB) a rapporté la toute première observation de neutrinos astrophysiques de haute énergie. Cette découverte ouvre un nouveau champ dans l’observation de l’ Univers, celui des « télescopes de neutrinos ». Ceux-ci pourraient permettre en particulier de mettre en évidence des neutrinos émis par les particules de matière noire, fournissant des informations essentielles sur celles-ci.

Dans ce projet, les chercheurs du service de Physique Théorique vont s’associer aux membres de IceCube pour développer un vaste programme de recherche sur ce sujet. Les expérimentateurs de IceCube auprès de l’Institut Interuniversitaire des Hautes énergies travailleront sur la récolte et l’analyse des données, tandis que les théoriciens de l’ULB apporteront pour cette analyse leur expérience de longue date dans la recherche et la modélisation de la matière noire, ainsi que leur expérience sur des recherches similaires basées sur l’observation de rayons gammas.


Non-Zero Sum Game Graphs: Applications to Reactive Synthesis and Beyond

Porte-parole:
Jean-François Raskin, Méthodes formelles et vérification

Les systèmes réactifs sont des systèmes informatiques qui maintiennent une interaction constante avec l’environnement dans lequel ils opèrent. Les systèmes informatiques qui automatisent les transports publics, les systèmes d’aide au pilotage d’ avion, ou encore les systèmes informatiques qui contrôlent les appareillages médicaux sont des exemples de systèmes réactifs. Toutes défaillances ou bugs dans ces contextes critiques peuvent avoir des conséquences catastrophiques.

Les systèmes réactifs ont plusieurs caractéristiques (opérations en temps-réel, parallélisme, simultanéité des évènements, etc.) qui les rendent difficiles à concevoir. Pour rencontrer ces difficultés, des recherches fondamentales visent à développer de nouveaux modèles mathématiques qui permettent d’exprimer précisément les propriétés de correction que doivent satisfaire ces systèmes. Ces méthodes mathématiques permettent ensuite de prouver mathématiquement la correction d’une solution ou de trouver systématiquement des erreurs de conception avant la mise en place du système. Le "model-checking" est une technique qui a révolutionné le développement des systèmes critiques en permettant la détection d’erreur de conception très tôt dans le cycle de développement et ceci de manière automatique. Lire la suite...


APOL1 - SRA interplay

Porte-parole:
David-Pérez-Morga, Laboratoire de Parasitologie Moléculaire

Depuis de nombreuses années, le Laboratoire de Parasitologie moléculaire étudie les mécanismes d’adaptation du trypanosome, parasite provoquant la maladie du sommeil chez l’homme et le nagana chez le bétail. Les précédents travaux du laboratoire ont démontré que la lipoprotéine APOL1, présente dans le sérum humain, pouvait éliminer les trypanosomes. Cependant une sous-espèce de trypanosome, T. b. rhodesiense, a trouvé le moyen de neutraliser les effets de l’APOL1 grâce à une protéine appelée SRA.

David Pérez-Morga, Etienne Pays et ses collaborateurs tentent aujourd’hui de mieux comprendre les relations entre les APOLs et SRA. Ils ont remarqué que la structure des APOLS était similaire à celles de la famille des BCL2, protéines humaines induisant l’apoptose. Leur hypothèse est que les APOLs interviennent dans la mort cellulaire programmée de certaines cellules humaines lors de conditions inflammatoires, observées notamment lors d’un contact avec un pathogène. Des premiers résultats du laboratoire vont en ce sens.

Ils ont aussi découvert que des formes mutantes d’APOL1, permettant à certaines populations Ouest africaines de résister à l’infection par le T. b. rhodesiense, déclencheraient la nécrose de certaines cellules rénales. Ceci entraine des maladies rénales chroniques, fréquemment observées dans ces populations.


Studies of transcriptional mechanisms regulating HIV-1 post-integration latency: implications for innovative therapeutic strategies

Porte-parole:
Carine Van Lint, Service de Virologie moléculaire

Les patients infectés par le virus de l’immunodéficience humaine de type 1 (VIH-1) doivent suivre leur multi-thérapie antirétrovirale en continu pour garder le virus sous contrôle. En effet, une faible proportion des cellules infectées par le VIH-1 n’expriment pas de virus et échappent à la multi-thérapie et au système immunitaire de l’hôte. Ces cellules réservoirs sont responsables du rebond de la virémie dès l’interruption du traitement. La réactivation délibérée de ces réservoirs chez un patient sous traitement est donc une stratégie thérapeutique prometteuse, qui permettrait d’éliminer le virus et/ou de contrôler à long terme la virémie en absence de traitement.

Cette approche a mené à la recherche d’agents capables de réactiver les cellules infectées de manière latente (latency reversing agents, LRAs). Les premières expériences ex vivo de réactivation ont cependant mis en évidence des variations inter-patients qualitatives et quantitatives dans la réactivation par différents LRAs des cellules infectées. Des observations qui soulignent encore une fois la complexité de la régulation du virus VIH. Lire la suite...


ARC Consolidation


Modélisation d’interactions supramoléculaires basées sur des complexes réactifs

Porte-parole: MOGNETTI Bortolo Matteo, Département de Physique

Un des challenges de la nanoscience est la conception de matériaux intelligents, dont les propriétés optiques, électroniques ou mécaniques, par exemple, peuvent être ajustées pour répondre à divers stimuli.

Dans ce projet, l’équipe du Service de Physique des Systèmes complexes et Mécanique statistique va particulièrement s’intéresser à une classe de systèmes dans lesquels les interactions entre les composants unitaires (polymères ou nanoparticules par exemple) sont menées par des complexes réactifs cabable d’établir des liens supramoléculaires. En manipulant la température ou le pH, par exemple, les chercheurs peuvent modifier le nombre ou le type de ces liens et ainsi orienter les propriétés macroscopiques de ces matériaux.

Les chercheurs de la Faculté des Sciences vont à la fois développer un canevas prédictif qui aidera le développement de nouvelles expériences. Ces systèmes présentent de nombreux débouchés dans la science des matériaux, mais aussi pour le secteur biomédical : capable d’imiter les interactions entre récepteurs et ligands, ce système pourrait notamment ouvrir la voie à de nouvelles stratégies biomimétiques en fournissant un contrôle précis pour l’adsorption ciblée de médicaments.


Dynamic Functional Data

Porte-parole: HÖRMANN Siegfried, Département de Mathématique

L'augmentation constante de la puissance de calcul et de la capacité de stockage permet d'enregistrer et traiter des données presqu’en continu. Ces données fonctionnelles sont maintenant présentes dans divers domaines, y compris les sciences environnementales (courbes de pollution, températures,…), la médecine (imagerie,…), l’économie, etc.

De manière assez surprenante, la méthodologie existante pour les données fonctionnelles est presque exclusivement consacrée à des échantillons indépendants et peut dès lors aboutir à des conclusions sous-optimales ou inappropriées.

Dans ce projet, un groupe de chercheurs du Département de Mathématique va tenter de mettre au point un canevas théorique large pour les séries fonctionnelles temporelles ainsi de développer de nouveaux outils statistiques pour ce type de données.


La méthode de compression d'entropie en combinatoire

Porte-parole: JORET Gwenaël, Département d’Informatique

Il existe de nombreux problèmes algorithmiques pour lesquels aucun algorithme de résolution efficace (en temps polynomial) n'est connu. C'est par exemple le cas du problème du voyageur de commerce, qui doit parcourir le trajet le plus court entre des villes données avant de revenir à sa ville de départ : ce problème d’apparence simple ne trouve pourtant pas de solution algorithmique rapide lorsque le nombre de villes est élevé. C’est également le cas pour la satisfaisabilité des formules en logique booléenne. Pour une très grande famille de problèmes de ce type, la majorité des chercheurs suspectent qu'il n'existe simplement pas d'algorithmes efficaces. C’est la fameuse question "P?=?NP", mise au prix d'un million de dollars par le Clay Mathematics Institute.

Certains de ces problèmes deviennent cependant moins ardus en présence d'informations supplémentaires. Par exemple, si chaque variable de notre formule booléenne n'apparaît pas "trop souvent", alors nous pouvons simplement choisir au hasard les valeurs des différentes variables : la formule sera satisfaite avec une probabilité non nulle. Lire la suite...


Le sexe restreint-il l’évolution des génomes? Une étude expérimentale utilisant la levure comme organisme-modèle

Porte-parole:
FLOT Jean-François, Evolution biologique et Ecologie

Chez les animaux sexués, les chromosomes se présentent par paires dans les cellules, permettant ainsi la recombinaison des allèles au cours de la méiose. Lors d’une précédente collaboration internationale, Jean-François Flot et ses collègues ont séquencé puis analysé le génome du rotifère asexué Adineta vaga, espèce microscopique ne comprenant que des femelles se reproduisant de manière clonale, sans méiose. Ils ont alors remarqué que les chromosomes de ces animaux ne formaient plus de paires mais présentaient de nombreux réarrangements, comme des paquets de cartes à jouer qu’on mélange. Ceci suggère que la perte de la reproduction sexuée a libéré le génome des contraintes structurelles liées à la méiose, permettant au génome d’évoluer plus librement.

Pour tester cette hypothèse, Jean-François Flot et son équipe vont observer l’évolution du génome de levures de bière (Saccharomyces cerevisiae, un organisme modèle au génome bien connu) dans des lignées parallèles se reproduisant périodiquement de manière sexuée ou exclusivement de manière clonale. En deux ans, le chercheur espère voir chaque lignée se diviser plus de 8.000 fois, soit l’équivalent de 200.000 ans d’évolution à l’échelle humaine. Les changements de structure du génome au cours de temps seront étudiés via une technique de point appelée « 3C-seq ». Les résultats de cette étude permettront de mieux comprendre le rôle du sexe dans l’évolution des organismes.


Mécanismes moléculaires de la persistance bactérienne

Porte-parole:
GARCIA-PINO Abel, Laboratoire de Biologie Structurale et Biophysique

Les bactéries résistantes aux antibiotiques sont une menace importante pour la santé publique. Toutes les bactéries sont virtuellement capables de produire des variants tolérants à la majorité des antibiotiques connus, appelées « cellules persistantes ».

La formation de ces cellules persistantes est contrôlée par une molécule synthétisée par l’enzyme ReIA. C’est cette enzyme qui est au cœur de ce nouveau projet de recherche : Abel Garcia-Pino et ses collègues du laboratoire de Biologie Structurale et Biophysique vont tenter de la caractériser en étudiant ses caractéristiques « du niveau atomique jusqu’à l’in vivo ». Ils vont déterminer : (1) la structure de la protéine ReIA appartenant à différentes espèces bactériennes et sous ses différentes formes et états catalytiques; (2) les consommations énergétiques lors de ses interactions et de ses changements de conformation; et (3) les bases moléculaires de son activité et de ses fonctions catalytiques.

L’enzyme ReIA n’a pas encore pu être caractérisée, du fait de son état instable et complexe : l’utilisation de ‘nanobodies’ permettra de surmonter cette difficulté. L’étude permettra une meilleure compréhension des mécanismes de persistance chez les bactéries et ouvre une nouvelle voie vers la conception de nouveaux antibiotiques.


Projets ARC 2014-2019

ARC avancés


Holographie, théories de jauge et gravitation quantique : construire des modèles quantiques de trous noirs

Porte-parole: Frank Ferrari, Service de Physique Théorique et Mathématique

Comprendre les propriétés quantiques des trous noirs et des espaces-temps cosmologiques est l'un des problèmes les plus profonds de la physique théorique moderne, dont la résolution requiert un cadre où la relativité générale et la mécanique quantique sont unifiées.

Ce projet propose de combiner les progrès conceptuels et techniques cruciaux qui ont été réalisés en théorie des cordes ces deux dernières décennies (D-branes, dualité entre théorie de jauge et gravité, holographie, etc.) avec un ensemble d'idées nouvelles très récentes, pour construire explicitement des modèles quantiques de trous noirs et de cosmologies et étudier en détail leurs propriétés sous différents points de vue (thermodynamique, comptage des micro-états, géométrie émergente, analyse utilisant des sondes).

Parmi les outils principaux que les chercheurs projettent d'utiliser, citons les modèles de D-particules fondés sur des mécaniques quantiques de matrices jaugées, la théorie associée de D-particules sondes et son lien avec la théorie des systèmes quantiques ouverts, la limite d'un grand nombre de dimensions d'espace-temps ainsi que des modèles simplifiés à nombre de dimensions réduit.


Conception de microréseaux de protéines de haute densité pour détecter des liaisons aux ligands par spectroscopie FTIR

Porte-parole: Erik Goormaghtigh, Structure et Fonctions des Membranes Biologiques

Non seulement les protéines participent à un très grand nombre de processus biologiques mais elles sont aussi de plus en plus utilisées dans le domaine de la santé, des nanotechnologies et de la médecine. Dès lors, il est urgent d'élaborer des approches permettant une identification rapide et une caractérisation structurelle d'un large éventail de protéines et leur identification sélective dans des milieux complexes et, idéalement, in vivo.

La première partie de ce projet vise à développer des biosenseurs haute densité capables de détecter rapidement la présence d'une large gamme de protéines dans une solution. Une nouvelle approche basée sur la spectroscopie FTIR détectera la liaison de protéines sur des microréseaux de récepteurs à haute densité (par ex. des centaines d'anticorps spécifiques) en une seule mesure. On obtiendra, pour chaque espèce, des spectres FTIR complets, qui donneront des informations sur l'identité des protéines ainsi que sur les modifications conformationnelles et post-traductionnelles.

Dans une deuxième étape, pour les protéines intéressantes sélectionnées, une détection en phase liquide sera mise au point, par exploitation des propriétés uniques d'émission et d'absorption des nanomatériaux. L'élaboration de divers biosenseurs s'appuiera sur une stratégie originale de fonctionnalisation de surface basée sur le greffage covalent de sels de calixarène-tétradiazonium.


Outils statistiques et computationnels structurés en reconstruction de grande dimension, avec applications en imagerie médicale

Porte-parole: Ignace Loris, Mécanique et mathématique appliquée

Dans ce projet, les chercheurs projettent d'élaborer des critères d'information pour la sélection et l'estimation structurées parcimonieuses de modèles linéaires de grandes dimensions (comme dans les problèmes inverses). Les nouveaux critères tiendront compte de la parcimonie et surtout du biais qui résulte de l'effet des faux positifs sur l'optimisation. En liant les concepts de reconstruction structurée parcimonieuse et de faible rang à l'optimisation convexe, les chercheurs mettront au point des techniques pratiques et efficaces de régularisation et de résolution de problèmes inverses à grande échelle.

Ils appliqueront ces méthodes au domaine de l'imagerie mathématique, en particulier à la reconstruction d'images médicales telles que la magnétoencéphalographie. Ils élaboreront aussi des transformations multi-échelles, adaptables aux données, pour des représentations parcimonieuses de signaux, en utilisant des techniques de lissage statistique, y compris les splines et les méthodes basées sur l'estimation par noyau.


Le nucléole dans le domaine de la santé et de la maladie

Porte-parole: Denis Lafontaine, RNA Molecular Biology

Les ribosomes et les complexes du pore nucléaire (« nuclear pore complex », NPC) sont des nanomachines cellulaires essentielles, responsables, respectivement, de la synthèse des protéines et du trafic nucléocytoplasmique. La synthèse des ribosomes est initiée dans le nucléole, un domaine fonctionnel nucléaire très dynamique jouant un rôle central dans l'expression génétique. La morphologie du nucléole est révélatrice de sa fonction et de la santé de la cellule et, en tant que telle, constitue un puissant biomarqueur de maladie et une cible pour les traitements du cancer.

Des nucléoporines spécifiques, les éléments constitutifs du NPC, se relocalisent dans le nucléole en cas d'inhibition de la synthèse de l'ARN ribosomique et dans des situations pathologiques, telles que la leucémie. Ce projet vise à comprendre les principes de maintien de l'intégrité nucléolaire et à étudier les connexions émergentes entre les nucléoporines liées à la maladie et le nucléole.


ARC Consolidation


Photoinduced Copper-Catalyzed Reactions: New Directions in Copper Catalysis - a Unified Approach to Highly Valuable Building Blocks

Porte-parole: Gwilherm Evano, Service de Chimie et PhysicoChimie Organiques

Qu'il s'agisse de développer des polymères, de nouveaux matériaux ou encore de produire des médicaments, tous ces domaines scientifiques ont besoin de synthétiser des molécules organiques et, pour cela, de s'appuyer sur un des plus anciens domaines de la chimie: la chimie organique. Il y a donc un besoin de plus en plus fort pour la mise au point de procédés performants pour la production de telles molécules.

Dans ce contexte, le Laboratoire de Chimie Organique de la Faculté des Sciences développe de nouveaux procédés de synthèse, les plus efficaces possibles, en s'appuyant sur la catalyse au cuivre, qui offre différents avantages dont une grande disponibilité, un prix réduit, une faible toxicité et des potentialités multiples... Malgré ces avantages, la catalyse au cuivre a aussi ses limites; en particulier, elle nécessite en effet souvent de hautes températures et de longs temps de réaction, ce qui n'est pas forcément compatible avec des molécules complexes ou sensibles, et de nombreux procédés demeurent encore inaccessibles. Lire la suite...


Fondements théoriques des transformations de données

Porte-parole: Gwilherm Evano, Service de Chimie et PhysicoChimie Organiques

Les méthodes formelles constituent un ensemble de modèles et outils mathématiques pour analyser les systèmes informatiques. asées sur la théorie de la logique mathématique et la théorie des automates, elles ont été appliquées avec succès, notamment à la vérification automatique des systèmes de contrôle, c'est-à-dire aux systèmes informatiques dont le but premier est de contrôler d'autres dispositifs (matériels ou logiciels).

Toutefois, les abstractions mathématiques utilisées pour modéliser et vérifier les systèmes de contrôle ne conviennent pas aux systèmes centrés sur le traitement de données (bases de données, traitement de flux, etc.). Pour modéliser de tels systèmes, il est crucial de fournir des outils mathématiques adéquats, qui prennent en compte les aspects transformations entre les données d'entrée et de sortie des programmes, plutôt qu'uniquement les propriétés liées à leur flux de contrôle. Alors que les méthodes formelles, et notamment la théorie des langages, ont longtemps visé à modéliser et à analyser des ensembles d'exécutions de systèmes informatiques de contrôle, la recherche s'est nettement moins intéressée au défi scientifique d'élaborer une théorie mathématique riche sur les transformations, prenant en compte les deux aspects, contrôle et données.

L'objectif de ce projet est donc de faire progresser les fondements de la théorie des transformations de données et d'étudier ses applications à l'analyse de systèmes complexes centrés sur les données.


Modélisation physico-chimique de procédés non idéaux hors d'équilibre et de systèmes réactifs spatialement étendus

Porte-parole: Laurence Rongy, Non Linear Physical Chemistry Unit

L'objectif de ce projet est la modélisation des procédés réactifs et de transport dans les systèmes non idéaux hors d'équilibre. Les fortes interactions intermoléculaires qui caractérisent ces systèmes jouent un rôle prépondérant dans nombre de phénomènes chimiques, environnementaux et biologiques.

La première partie de ce projet se concentrera sur les systèmes biphasiques (p. ex. liquide-gaz) et en particulier sur les phénomènes de transport multicomposant, tels que la diffusion et la convection naturelle induite par des gradients de densité instables dans le champ gravitationnel. Combinée à des données expérimentales et à l'aide de techniques d'optimisation, cette approche théorique permettra la mesure en mélange non idéal des coefficients de diffusion. Ces derniers sont particulièrement difficiles à évaluer par les techniques standards malgré leur importance dans l'étude des processus de transport dans les sous-sols pour ne citer qu'un exemple.Lire la suite...


Algèbres de Hopf et symétries d'espaces non commutatifs

Porte-parole: Joost Vercruysse, Service Algèbre et Combinatoire

Comme un groupe classique décrit les symétries de l'espace sur lequel il agit, une algèbre de Hopf peut être comprise comme l'objet algébrique qui décrit les symétries d'un espace non commutatif encodé par une algèbre sur laquelle cette algèbre de Hopf (co)agit. Ces dernières décennies, de nombreuses variantes de la notion d'algèbre de Hopf ont été introduites, inspirées par diverses branches des mathématiques.

Parmi les idées les plus prometteuses figurent les algèbres de Hopf des multiplicateurs, les algèbres de type Hopf au sens de Weinstein et les monades de Hopf. Chacune de ces variantes permet de mieux décrire les symétries d'un autre type d'espaces non commutatifs.

Dans ce projet, les chercheurs étudieront l'interrelation entre ces théories. En combinant des aspects des différentes théories, ils pourront décrire une plus grande classe d'espaces non commutatifs et leurs symétries, ce qui leur permettra de se rapprocher de l'objectif ultime d'une théorie unifiée.


Contrôle génétique du développement vasculaire cérébral

Porte-parole: Benoit Vanhollebeke, Laboratoire de Parasitologie moléculaire

Malgré leur importance dans une vaste gamme de troubles du système nerveux central, les mécanismes qui sous-tendent l'angiogenèse cérébrale et la spécialisation des cellules endothéliales de notre cerveau sont méconnus.

Ce projet vise à identifier la nature moléculaire et l'origine cellulaire des signaux qui gouvernent la vascularisation cérébrale et à établir comment ces signaux sont reconnus et interprétés par les cellules endothéliales au cours de processus complexe du développement vasculaire cérébral.