Modélisations mathématiques de la dynamique des formes réactives de l’oxygène chez Escherichia coli

Mathematical models for reactive oxygen species dynamic in Escherichia coli

• Auteur / Autrice : Lionel Uhl
• Direction : Sam Dukan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microbiologie
• Date : Soutenance le 24/04/2017
• Etablissement(s) : Aix-Marseille
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole Doctorale Sciences de la Vie et de la Santé (Marseille)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Chimie bactérienne (LCB) (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Frédéric Barras
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Sliwa, Florence Hubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Rachel Méallet-Renault, Johannes Geiselmann

Mots clés

Mots clés contrôlés

Escherichia coli

Aérobiose

Modèles mathématiques

Mots clés libres

Modélisation

Formes réactives de l'oxygène

Stochasticité

Models

Reactive oxygen species

Stochasticity

Résumé

Les Formes Réactives de l'Oxygène (FRO) regroupent des molécules comme les radicaux superoxide (O₂•⁻) et hydroxyle (HO•) ou le peroxyde d'hydrogène (H₂O₂) produites au sein des cellules en aérobiose. Malgré des systèmes de défense, des FRO peuvent réagir fortuitement avec des protéines, des lipides ou l'ADN provoquant des dommages cellulaires dont les mécanismes ne sont pas encore entièrement élucidés. Afin d'appréhender ce "stress oxydant", cette thèse présente des simulations numériques de la dynamique de FRO en utilisant la bactérie E. coli comme organisme modèle. Dans un premier temps, les simulations numériques sont réalisées de façon déterministe sur un ensemble de cellules. L'étude de la mortalité de E. coli exposé à H₂O₂ montre que le fer intracellulaire libre et la densité cellulaire, deux facteurs potentiellement impliqués dans la dynamique des FRO, jouent un rôle primordial dans l'interprétation expérimentale comme par exemple le comportement bi-modal de E. coli opposé à H₂O₂. Nous avons également évalué les rôles relatifs des principales défenses mises en place contre H₂O₂ à savoir la membrane cellulaire et les enzymes. Une étude détaillée indique que leur implication dépend non linéairement de la concentration en H₂O₂.Dans une seconde approche nous réduisons l'échelle d'étude pour nous ramener à la cellule unique dans les conditions physiologiques. Il apparaît ainsi que la stochasticité intrinsèque des réactions chimiques associées aux FRO permet à certaines bactéries de se différencier en vue d'un futur stress.

The Reactive Oxygen Species (ROS) are molecules (superoxide (O₂•⁻, hydrogen peroxide H₂O₂ and hydroxyl radical HO•) generated in living cells as a consequence of aerobic life. They are partially eliminated by scavenging systems. Nevertheless, ROS can unfortunately react with cellular proteins, lipids or DNA leading to cell damage. The mechanisms of such lesions is still being studied: we are talking about "oxidative stress". Using Escherichia coli as a model organism this thesis is concerned with the numerical simulation of ROS dynamics.In the first part of this work, simulations were performed in a deterministic way to predict the behaviour of a set of cells. By studying killing of E. coli by exposure to H₂O₂, we show that intracellularavailable iron and cell density, two factors potentially involved in ROSdynamics, play a major role in the prediction of experimental results in particular in bimodal cell killing.We then evaluate the relative roles of major defences against H₂O₂. Although the key actors in celldefence are enzymes and membrane, a detailed analysisshows that their involvement depends on the H₂O₂ concentration level. In the second part, we study more closely the fate of the single cell with a stochastic point of view in physiological conditions.We show that elementary chemical stochasticity allows bacteria to segregate specialized cells in prevision of possible stress challenge. Actually, whereas ROS distribution does not activate defence regulation without exogenous stress, we demonstrate that this distribution may activate DNA repair mechanisms.