La nage des bactéries dans les cristaux liquides : comportement individuel et collectif

Bacteria swimming in liquid crystals : individual and collective phenomena

• Auteur / Autrice : Martyna Goral
• Direction : Anke Lindner
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/07/2021
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Florence Elias
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Florence Elias, Eric Grelet, Gladys Massiera, Francesca Serra, Kenny S. Breuer, Roland Winkler
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Eric Grelet, Gladys Massiera

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microfluidique

Autoassemblage

Bactéries

Cristaux liquides

Matière active (physique)

Mots clés libres

Bactéries

Cristaux liquides

Expériences

Réorientation

Auto-Assemblage

Microfluidique

Bacteria

Liquid crystals

Experiments

Reorientation

Self-Assembly

Microfluidics

Résumé

Les bactéries sont considérées comme un système modèle de particules actives, dont les interactions peuvent mener à des comportements non triviaux. Par exemple, le mouvement des bactéries peuvent changer la viscosité de la suspension, mais dans certains cas le milieu peut également déclencher des dynamiques spéciales, comme les mouvements collectifs. C'est dans ce contexte que nous étudions comment la matière active s'adapte et réagit face à des frustrations et contraintes géométriques générées par l'environnement. Récemment, des motifs spatio-temporels intéressants ont été observés dans les cristaux liquides nématiques, où le mouvement des bactéries est guidé par l'orientation moléculaire du cristal liquide, aussi appelé directeur. Dans la présente thèse, nous étudions la mécanique de nage d'une bactérie E-coli individuelle, qui est contrainte selon le directeur d'un cristal liquide chromonique et lyotrope (LCLC). Le mouvement classique de la bactérie, ''run and tumble'' est altéré par les contraintes de ce milieu car résultant des interactions élastiques avec le LCLC, la tresse de flagelles ne peut que partiellement se défaire. Ceci amène la bactérie à changer de direction de 180 degrés, contrôlé par un flagelle qui se délocalise du côté opposé de la tresse. Finalement nous avons également observé que l'interaction de plusieurs bactéries conduit à la création spontanée de chaines qui se meuvent, propulsées par une ''super tresse'' de flagelles, résultant de l'assemblage des flagelles de chaque bactéries dans la chaine.

Bacteria are considered as a model system of active particles in which interactions with each other or with the surrounding medium can lead to non-trivial behavior. Bacterial active motion can for example change the viscosity of bacterial suspensions, but the suspending medium itself can also trigger the emergence of new collective or individual bacterial dynamics. In this context we seek to understand how active matter adapts and deals with geometrical frustration induced by the environment. Interesting spatio-temporal patterns have recently been observed in nematic liquid crystals, where the motion of bacteria is directed by the orientational molecular order of the liquid crystal or director field. In this work, we study the swimming mechanism of a single bacterium, E-coli, that is constrained to move along the director field of a lyotropic chromonic liquid crystal (LCLC). The spontaneous ''run and tumble'' motion of the bacterium gets frustrated in this constraining medium, where the flagella can only partially unbundle as a result of an elastic interaction with the LCLC. This frustration leads to a reversal motion along the director field, driven by the relocation of a single flagellum on the other side of the bacterium. Finally, we observe that the interaction between multiple bacteria makes them form chains that collectively swim under the action of a ''super flagellar bundle'' resulting from the self-assembly of the flagella of single bacteria.