COLLOÏDES ET BIOTECHNOLOGIES

Réalisation : 29 octobre 2002 - Mise en ligne : 29 octobre 2002

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Descriptif
L'exposé introduit lutilisation des colloïdes dans le domaine du diagnostic biologique. Nous introduirons les bases de la physico chimie des colloïdes ainsi que les approches classiques du diagnostic biologique: test d'agglutination à partir de particules de Latex ou dor, test ELISA avec des particules magnétiques. Ensuite nous présenterons une nouvelle approche de diagnostic basée sur la formation de nano structures colloïdales magnétiques. Le principe repose sur l'aptitude de certains colloïdes magnétiques, à la fois suffisamment petits et susceptibles, à former rapidement des lignes réversibles sous champ. Nous montrerons que cette solution colloïdale change de couleur sous l'action d'un champ magnétique, conséquence de la diffraction des chaînes auto assemblées, et comment ce phénomène peut conduire à la détermination du profil de force entre colloïdes. Si les particules sont greffées par un anticorps, alors en présence de l'antigène spécifique capable de ponter deux anticorps, les lignes peuvent devenir permanentes et quasi irréversibles. Nous discuterons comment la persistance des lignes peut révéler de manière très sensible la quantité d'antigène introduite, et pourquoi la force magnétique imposée à chaque colloïde peut accélérer la complexation antigène anticorps. Nous finirons par une introduction à l'utilisation des colloïdes en micro fluidique. Nous montrerons comment les auto assemblages magnétiques peuvent devenir des matrices de séparation très efficaces pour des entités biologiques comme des ADN génomiques ou des cellules.

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Programmer des comportements cellulaires complexes devient possible

*         PUBLIÉ LE : 09/04/2019 TEMPS DE LECTURE : 3 MIN ACTUALITÉ, SCIENCE
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La programmation de populations de cellules vivantes permettrait d’effectuer des tâches complexes dans de nombreux domaines de santé : diagnostic, thérapies ou encore ingénierie de tissus et de matériaux. A Montpellier, des chercheurs du Centre de biochimie structurale (CBS) viennent de développer un nouveau type de circuits génétiques qui permet justement de programmer des opérations complexes à l’échelle d’un groupe de bactéries.

Contrôler l’action de cellules à des fins diagnostiques ou thérapeutiques est déjà une réalité. Les scientifiques savent par exemple modifier des lymphocytes T d’un patient pour les « dresser » contre sa tumeur. Mais ce travail est hautement spécifique, applicable à un type de cellules et pour une indication particulière. Une équipe Inserm propose aujourd’hui d’aller beaucoup plus loin dans la biologie synthétique, grâce à un nouveau système de circuits génétiques contrôlables de l’extérieur et permettant de générer des fonctions complexes. Ce système automatisé est à priori utilisable pour tous types d’applications. Un peu à l’image d’un logiciel informatique qui permet d’effectuer des tâches variées selon les souhaits des utilisateurs.
Concrètement, le laboratoire de Biologie synthétique, codirigé par de Jérôme Bonnet au Centre de biochimie structurale de Montpellier*, incorpore dans des bactéries de l’ADN synthétique permettant de reprogrammer leur comportement. Cet ADN porte des séquences indépendantes, sensibles à des signaux extérieurs différents, qui contrôlent l’expression d’enzymes pouvant eux-mêmes activer ou au contraire inhiber certains gènes. Ces séquences sont organisées de façon logique afin d’obtenir des réponses variées en fonction de la combinaison des signaux extérieurs utilisée. « Nous nous sommes inspirés des systèmes électroniques, qui grâce à une combinaison de signaux binaires – 0 et 1 – permettent d’aboutir à des fonctions variées, explique Jérôme Bonnet. En outre, pour démultiplier les possibilités, nous ne demandons pas à une seule cellule d’effectuer un programme complexe : nous divisons le travail entre plusieurs souches bactériennes, chacune effectuant une partie du programme. Nous exploitons ainsi la puissance des bactéries à travailler de manière collective en milieu naturel ».

14 populations de bactéries et 65 000 programmes possibles
Pour prouver que cette approche fonctionne, le laboratoire a construit 14 bactéries différentes, chacune capable d’exécuter un « sous-programme » spécifique, dont il est possible de suivre l’exécution grâce à l’utilisation de gènes témoins produisant des protéines fluorescentes. En associant ces souches selon différentes combinaisons, ce sont plus de 65 000 possibilités d’activation ou d’inhibition de gènes qui peuvent être obtenues selon les signaux extérieurs appliqués (à ce stade, les signaux utilisés sont l’administration d’antibiotiques et de sucres).
Une autre caractéristique importante de ce travail est qu’il autorise l’automatisation de ce système pour obtenir la fonction souhaitée. Il repose en effet sur un algorithme qui génère les séquences d’ADN du circuit génétique selon les désidératas du chercheur. « Jusqu’à présent, la plupart des circuits biologiques étaient conçus sur mesure, ce qui rendait leur élaboration lente et réservée à un petit nombre d’initiés. A l’inverse, nos circuits génétiques multicellulaires peuvent être générés de manière automatisée, en fonction des besoins des utilisateurs à partir de l’outil CALIN, disponible en ligne. Notre but est vraiment de démocratiser la bioprogrammation », explique Sarah Guiziou, l’auteure principale de ce travail. « Nous avons créé un système logique garantissant une réponse prévisible. Maintenant les chercheurs peuvent l’utiliser pour des applications particulières ».
Le laboratoire montpelliérain entend utiliser ce système pour développer des bactéries à visée thérapeutique. « Le microbiote a un rôle essentiel pour la santé, ajoute la chercheuse. Nous pourrions modifier des bactéries de la flore intestinale pour leur permettre de détecter des marqueurs et activer des processus thérapeutiques afin de lutter par exemple, contre les maladies métaboliques. Autre exemple, des bactéries se logent dans des tumeurs immunodéprimées et y sont à l’abri du système immunitaire. Il serait intéressant de les programmer pour détruire les cellules cancéreuses ».

Note :
*unité 1054 Inserm/CNRS/Université de Montpellier, Centre de biochimie structurale, Montpellier
Source : S Guiziou et coll, Hierarchical composition of reliable recombinase logic devices. Nature Communications, édition en ligne du 28 janvier 2019, https://doi.org/10.1038/s41467-019–08391‑y

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FOETUS

Cet article est extrait de l'ouvrage « Larousse Médical ».

Être humain
de la fin du deuxième mois au terme de la grossesse.
Le stade de fœtus suit celui d'embryon : les systèmes et les organes sont déjà formés ; la période fœtale est surtout marquée par la maturation et la croissance.

CROISSANCE FŒTALE. ÉVOLUTION DU FŒTUS DU 3e MOIS À LA NAISSANCE
TROISIÈME MOIS (9e-13e SEMAINE)

Relié au placenta par le cordon ombilical, le fœtus flotte dans un sac membraneux rempli de liquide amniotique. Son foie se développe beaucoup, son intestin s'allonge, ses reins fonctionnent et ses urines commencent à se déverser dans le liquide amniotique. Sa tête se redresse et son visage se modèle : les lèvres se dessinent, les yeux, recouverts par les paupières, se rapprochent peu à peu vers le centre de la face. Les cordes vocales apparaissent. Les premiers os se forment ; le fœtus remue bras et jambes, mais les mouvements ne sont pas perçus par la mère. En revanche, le stéthoscope à ultrasons permet d'entendre le rythme cardiaque fœtal. Les organes génitaux externes se différencient : le sexe du fœtus est reconnaissable, mais pas encore visible à l'échographie. La 13e semaine, des mouvements respiratoires se produisent : le fœtus ouvre et ferme la bouche, ébauche des mouvements de succion, tourne la tête. Il mesure 12 centimètres et pèse 65 grammes.

QUATRIÈME MOIS (14e-18e SEMAINE)
La tête et le corps semblent mieux proportionnés. Le fœtus ouvre et ferme les poings, suce son pouce, avale le liquide amniotique. Ses mains sont complètement formées. La peau est fine, rougeâtre et laisse transparaître les vaisseaux sanguins. Les cheveux commencent à pousser. Le système digestif fonctionne : une substance noirâtre, le méconium, commence à s'accumuler dans l'intestin. Les articulations se forment, les muscles se développent, le fœtus prend des forces, et la mère ressent ses mouvements, plus précocement si ce n'est pas sa première grossesse. Les battements du cœur (140-160 par minute) deviennent perceptibles au stéthoscope ordinaire. Le sac ovulaire occupe à présent toute la cavité utérine. À la fin du 4enbsp;mois, le fœtus mesure 20 centimètres et pèse 250 grammes.
CINQUIÈME MOIS (19e-23e SEMAINE)

La multiplication des cellules nerveuses s'achève et le cerveau va désormais grossir régulièrement de 90 grammes par mois. La peau est moins rouge mais reste fripée. Un duvet, appelé lanugo, commence à la recouvrir. Les ongles poussent, les empreintes digitales sont présentes, les bourgeons des dents se développent. La différenciation sexuelle est maintenant complète. L'appareil respiratoire poursuit son développement, et les mouvements respiratoires se multiplient. C'est au cours du 5e mois que l'échographie obstétricale donne le plus d'indications sur la morphologie de l'enfant. À la fin du mois, il mesure 30 centimètres et pèse 650 grammes.

SIXIÈME MOIS (24e-27e SEMAINE)

Le fœtus bouge beaucoup (de 20 à 60 mouvements par demi-heure en période active) ; ses périodes d'activité alternent avec des périodes de sommeil. Son corps s'arrondit, les glandes sudoripares se forment. Le visage s'affine, les cheveux poussent. L'oreille définitive est en place et l'enfant commence à réagir aux bruits extérieurs. Il suce souvent son pouce ; parfois, il a le hoquet. Le fœtus mesure 37 centimètres et pèse 1 000 grammes.

SEPTIÈME MOIS (28e-31e SEMAINE)
L'estomac et l'intestin sont en état de fonctionner. Le fœtus entend ; ses yeux sont complètement ouverts. Il commence à se sentir un peu à l'étroit dans l'utérus et remue donc moins. À la fin du mois, il mesure 42 centimètres et pèse 1 500 grammes.
HUITIÈME MOIS (32e-35e SEMAINE)

Le fœtus prend la position qu'il gardera jusqu'au moment de l'accouchement : le plus souvent, il se place la tête en bas, calée dans la partie la plus étroite de l'utérus, fesses en haut. Les os se développent, la graisse s'accumule sous la peau, le lanugo tombe peu à peu, remplacé par un enduit protecteur graisseux et blanchâtre, le vernix caseosa, abondant surtout dans les plis. L'enfant avale beaucoup de liquide amniotique et urine en proportion. À la fin du mois, le fœtus mesure 47 centimètres et pèse 2 500 grammes.

NEUVIÈME MOIS (36e-39e SEMAINE)

Les poumons et le cœur sont prêts à fonctionner, mais des orifices font communiquer les cavités cardiaques, et un canal relie les gros vaisseaux (aorte et tronc de l'artère pulmonaire). Ces communications se fermeront après la naissance, lorsque la respiration sera établie. Les ovaires sont en place chez la fille, mais chez le garçon les testicules ne seront dans le scrotum qu'à la naissance. Le vernix caseosa se détache, sauf dans les plis, et flotte dans le liquide amniotique. La peau est maintenant bien lisse. Les os du crâne ne sont pas soudés : les espaces qui les séparent, les fontanelles, ne se fermeront qu'après la naissance.
À terme, le fœtus pèse en moyenne 3 200 grammes et mesure 50 centimètres. Il a des cheveux, des ongles aux mains et aux pieds. Le lanugo persiste sur les épaules, aux aisselles, à l'aine. Le cœur pèse 18 grammes, le foie de 100 à 125 grammes, chaque rein 12 grammes, le cerveau 350 grammes. Les organes n'ont pas tous leur structure définitive : en particulier, le cerveau va encore poursuivre son développement pendant plusieurs années.

ACTIVITÉ FŒTALE
Les mouvements du fœtus apparaissent très tôt, à la 12e semaine. Ils sont d'abord réflexes, puis volontaires à partir du 5e mois. Le fœtus agite les jambes (ruades, pédalage), il pousse avec les pieds pour changer de position. Il bouge les bras, met son pouce dans sa bouche. Vers la fin de la grossesse, l'ampleur des mouvements diminue par manque d'espace. Un fœtus dort beaucoup (jusqu'à 20 heures par jour) et les modifications de son rythme cardiaque permettent de distinguer les phases d'éveil et de sommeil (profond ou léger).

PERCEPTIONS FŒTALES
Le développement du système nerveux du fœtus lui permet d'avoir des perceptions sensorielles précoces.
Le goût se développe dès le 4e mois : le fœtus avale le liquide amniotique et il semble qu'il perçoive les saveurs.

Le toucher se développe tôt, dès 4 mois de grossesse. Le fœtus sent quand on le touche à travers le ventre maternel. C'est sur cette perception que repose l'application de l'haptonomie à l'accompagnement pré- et postnatal des parents et de leur(s) enfant(s).

La vue existe potentiellement : le fœtus semble distinguer la lumière de l'obscurité. Il réagit à un faisceau de lumière violente dirigée vers sa tête à travers l'abdomen.
Les sensations auditives sont présentes : dès le 6e ou le 7e mois, le fœtus entend et réagit aux bruits qui ne sont pas ceux, internes, de la mère, auxquels il est habitué. Les bruits violents le font sursauter, la musique douce l'apaise.
La douleur est ressentie dès le 6e mois.
Les émotions de la mère, enfin, semblent être transmises au fœtus, qui, apparemment, y réagit (par une accélération de son rythme cardiaque, par exemple).
Voir : fœtopathie, fœtopathie, fœtoscopie, présentation fœtale, souffrance fœtale.



PLAN
*        
    *         CROISSANCE FŒTALE. ÉVOLUTION DU FŒTUS DU 3e MOIS À LA NAISSANCE
        *         Troisième mois (9e-13e semaine)
        *         Quatrième mois (14e-18e semaine)
        *         Cinquième mois (19e-23e semaine)
        *         Sixième mois (24e-27e semaine)
        *         Septième mois (28e-31e semaine)
        *         Huitième mois (32e-35e semaine)
        *         Neuvième mois (36e-39e semaine)
    *         ACTIVITÉ FŒTALE
    *         PERCEPTIONS FŒTALES

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Histone

Histone H2A/H2B/H3/H4

Famille des histones de liaison H1 et H5


Les histones sont des protéines localisées dans le noyau des cellules eucaryotes1 et dans les archées. Elles sont les principaux constituants protéiques des chromosomes. Elles sont en effet étroitement associées à l’ADN dont elles permettent la compaction, cette action formant des structures appelées nucléosomes : l'ADN est enroulé autour des histones comme du fil autour d'une bobine. Les histones sont très riches en acides aminés basiques (lysine et arginine), dont la charge positive à pH physiologique permet une interaction forte avec les groupements phosphate de l'ADN qui portent des charges négatives.

Structure
s.
Les histones sont de petites protéines basiques de masse moléculaire comprise entre 13 et 15 kDa. Elles sont caractérisées par un domaine C-terminal globulaire, le domaine histone-fold. Ce domaine, très conservé depuis les archées jusqu’aux eucaryotes supérieurs, consiste en trois hélices α séparées par deux courtes boucles2. Il permet la dimérisation des histones selon un motif dit en poignée de main, qui sert de base à l’assemblage du nucléosome.
Le domaine histone-fold est retrouvé dans de nombreuses protéines autres que les histones, et définit la famille des protéines dite histone-like3.
Les extrémités N-terminales des histones ne sont pas structurées et dépassent à l'extérieur de l'ADN dans le nucléosome assemblé. Ces extrémités sont accessibles à des enzymes de modification.

Différents types d'histones
Les histones comprennent cinq classes de protéines, regroupées en deux catégories en fonction de leur rôle dans la formation du nucléosome :
* les histones des classes H2A, H2B, H3 et H4 constituent les histones « de cœur », ainsi nommées car elles forment la particule de cœur du nucléosome : deux histones de chaque classe s’associent en un octamère autour duquel s’enroule le double-brin d’ADN sur environ cent cinquante paires de bases ;
* les histones de la classe H1 sont les histones dites « de liaison » : une histone de cette classe lie l’ADN à l’endroit où celui-ci entre et sort de la particule de cœur, et « scelle » ainsi le nucléosome4.
Chaque classe comprend plusieurs sous-types (excepté la classe H4) distingués en fonction de leur profil d’expression :
* les sous-types dont l’expression est couplée à la réplication de l’ADN ;
* les sous-types dont l’expression est indépendante de la réplication de l’ADN ;
* les sous-types exprimés spécifiquement dans certains tissus ou à certaines étapes du développement.
Dans les cellules cyclantes, les sous-types dont l’expression est couplée à la réplication sont majoritaires dans la chromatine, c’est pourquoi on les qualifie d’histones conventionnelles ou canoniques. Par opposition, les autres sous-types sont qualifiés de ''variants d’histones'' ; ils représentent généralement moins de 10 % des histones totales dans les cellules cyclantes, mais cette proportion peut atteindre 50 % dans les cellules différenciées5,6.
Les gènes codant les histones conventionnelles sont généralement présents dans le génome en de multiples copies organisées en clusters — par exemple chez l’homme, trois clusters sur les chromosomes 1 et 6 ; chez la souris, trois clusters sur les chromosomes 3, 11 et 137. Ils présentent des caractéristiques atypiques pour des gènes eucaryotes, comme l’absence d’introns et une terminaison de la transcription signalée par une structure de type tige-boucle au lieu d’un signal de polyadénylation. À l’opposé, les gènes codants les variants d’histones ne sont présents qu’en une ou deux copies et sont répartis isolément dans tout le génome8 ; Ils possèdent tous au moins un intron et un signal de poly-adénylation.

Histone et condensation de l’ADN
Il y a environ cinquante-quatre paires de bases entre deux nucléosomes, cette valeur variant selon les espèces (par exemple, on en compte cent soixante-cinq pour la levure). Le niveau suivant de compaction de l'ADN fait intervenir d'autres protéines dites « non histones. »
Le degré de condensation de l'ADN autour des nucléosomes d'histones et des protéines non histones est variable le long des chromosomes, dans la chromatine. Il est faible dans l'euchromatine que l'on dit « ouverte » et accessible à la machinerie des ARN polymérases. Il est élevé dans l'hétérochromatine, que l'on dit « fermée » et « inaccessible » à la machinerie de transcription.
Ce degré de condensation est regulé par des modifications des extrémités N-terminales des histones, comme des phosphorylations, acétylations, méthylations, ubiquitinations, sumoylations, etc. l'ensemble de ces modifications étant catalysées par des enzymes spécifiques. Les modifications covalentes des histones agiraient soit directement en modifiant la compaction de l'enroulement d'ADN autour des nucléosomes, soit indirectement en constituant des « marques » permettant le recrutement de protéines capables de modifier la structure de la chromatine. Le modèle des modifications covalentes des histones agissant comme un code (le « code des histones ») a été proposé par Strahl et Allis en 2000 dans la revue Nature9. Cependant, ce code est, semble-t-il, loin d'être universel et plutôt relativement spécifique selon les gènes et les cellules considérés.

Code des histones
Le code des histones établit un lien direct entre la modification de certains résidus de la queue des histones qui crée des liaisons pour des effecteurs protéiques et l’état transcriptionnel de la chromatine1.
Une modification d’histone peut en influencer une autre de manière synergique ou antagoniste ; c’est un mécanisme qui génère et stabilise des empreintes spécifiques.
L’acétylation (ajout de groupement acétyl) s’effectue sur certains résidus lysine précis par des enzymes nommées histones acétyl transférases (HAT).
Elle diminue généralement l’interaction inter-nucléosomes et entre les queues des histones et le fragment d’ADN qui fait le lien entre les nucléosomes. Ceci entraîne le relâchement de la chromatine, la faisant passer à l'état euchromatinien, et permet ainsi une meilleure accessibilité aux autres facteurs. L’acétylation est associée à une activation de la transcription et est facilement réversible grâce à l’action des histones désacétylases (HDAC).
La méthylation, quant à elle, peut s’effectuer soit sur des lysines soit sur des arginines et peut consister en l'ajout d'un, de deux ou de trois groupements méthyls.
Selon les résidus méthylés et le nombre de groupement ajouté elle est associée à une activation ou une répression de la transcription. Longtemps considérée comme statique, la méthylation des histones s'avère être une modification réversible impliquée dans un processus dynamique, bien que plus stable que l'acétylation et la phosphorylation. Un nombre croissant d'histones déméthylases sont identifiés10.

De manière générale, ces deux types de modifications sont antagonistes, et la désacétylation des lysines doit précéder leur méthylation. Cet antagonisme entraine la mise en place d'un certain équilibre dynamique entre les territoires hétérochromatiniens (généralement non exprimables et méthylés sur certains acides aminés clés) et euchromatiniens (généralement exprimables et acétylés). Par exemple, la Lysine 9 de l'histone H3 est connue pour être associée à une répression de la chromatine environnante lorsqu'elle est méthylée. Cette méthylation est reconnue par une protéine, HP1, qui se fixe donc sur H3 méthylée. À son tour, HP1 attire la protéine Suv39, une Histone MethylTransférase, qui pourra méthyler la lysine 9 de l'histone H3 du nucléosome voisin, et ainsi de suite. On voit donc, comment, de proche en proche, les histones H3 seront méthylées et la chromatine sera condensée. Cependant, cette invasion hétérochromatinienne sera stoppée si la lysine 9 de H3 rencontrée est déjà acétylée. Ainsi se met en place un équilibre compétitif entre domaines chromatiniens exprimés et réprimés.
Les modifications des queues d'histones jouent le rôle de « marques » épigénétiques qui entraînent le recrutement de différentes classes de protéines, puisque les lysines acétylées ou méthylées sont reconnues par des domaines protéiques différents. De plus, le recrutement de certains facteurs au niveau de la chromatine nécessite l’existence préalable de modifications d’histones et de protéines déjà liées. Le code des histones est donc interprété dans le contexte d’autres facteurs associés à la chromatine et c’est la combinaison d’interaction entre les histones modifiées et d’autres facteurs qui détermine si une protéine est recrutée à la chromatine.

Variants d'histones
Article détaillé : Variants d'histones.
Dans plusieurs espèces eucaryotes, des variants d’histones, aussi appelés histones non canoniques, ont été découverts.
Ces variants ont une séquence qui diffère de celle des histones conventionnelles sur quelques résidus seulement (cas des variants dits homéomorphes), ou sur des portions plus importantes de la protéine (cas des variants hétéromorphes).
Les variants d’histones jouent des rôles majeurs dans différents aspects de la biologie tels que la réparation de l’ADN11,12, l’organisation centromérique13, l’inactivation du chromosome sexuel X14 et une condensation spécifique des cellules gamètes mâles15,16.

Histones et température
Chez l’arabette (Arabidopsis thaliana) une seule histone (H2A.Z) suffit à rendre ce taxon sensible des variations de température de moins de 1 °C. Cette histone modifie l’enroulement de l’ADN sur lui-même et contrôle ainsi l’accès à l’ADN de certaines molécules inhibant ou activant plusieurs dizaines de gènes. Cet effet « bio-thermostat » semble fréquent dans la nature, car également détecté chez la levure17,18.

Dans les spermatozoïdes
Les histones sont remplacées par des protamines, protéines riches en arginine et en cystéine.
La richesse en cystéine permet la formation de pont disulfure. Cette structure protège l'ADN lors d'éventuels déplacements liés à la fécondation.

Notes et références
1. ↑ Revenir plus haut en : 
a et b Annabelle Gérard, Sophie Polo et Geneviève Almouzni, « Nom de code : histones », Pour la science, no 46,‎ mars 2005 (ISSN 0153-4092, lire en ligne [archive])
2. ↑ Arents et Moudrianakis 1995
3. ↑ Sullivan et al. 2002
4. ↑ Fan et Roberts 2006
5. ↑ Brush et al. 1985
6. ↑ Wells et Kedes 1985
7. ↑ Marzluff et al. 2002
8. ↑ Kamakaka et Biggins 2005
9. ↑ Strahl et Allis 2000
10. ↑ Klose et Zhang 2007
11. ↑ Redon et al. 2002
12. ↑ Billon et Cote 2011
13. ↑ Foltz et al. 2009
14. ↑ Fernandez-Capetillo et al. 2003
15. ↑ Okada et al. 2005
16. ↑ Govin et al. 2004
17. ↑ Kumar et Wigge 2010
18. ↑ Perrier 2010

Bibliographie[modifier | modifier le code]
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