Dynamique de suspensions bactériennes, de l'aérotaxie à la formation de clusters

Dynamics of bacterial suspensions, from aerotaxis to cluster formation

• Auteur / Autrice : Julien Bouvard
• Direction : Harold Auradou, Frédéric Moisy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des fluides
• Date : Soutenance le 01/04/2022
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux et géosciences (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, automatique et systèmes thermiques (Orsay, Essonne ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Joanny
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Clément, Axel Buguin, Sergio Chibbaro, Cécile Cottin-Bizonne
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Éric Clément, Axel Buguin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Chimiotaxie

Bactéries

Microfluidique

Mots clés libres

Bactéries

Aérotaxie

Cluster

Séparation de phase

Hydrodynamique

Microfluidique

Chimiotaxie

Bacteria

Aerotaxis

Clustering

Phase separation

Hydrodynamics

Microfluidic

Chemotaxis

Résumé

Fortes de leur très grand nombre et d’une immense diversité dans la nature, les bactéries sont une source inépuisable de connaissance sur la vie microscopique qui se déroule tout autour de nous. Les mécaniciens des fluides se sont particulièrement intéressés à l’étude de l’hydrodynamique bactérienne, en s’appuyant sur les progrès récents de la microscopie et l’avènement de la microfluidique. Les travaux de cette thèse s’inscrivent dans cette perspective. Nous avons étudié la dynamique de deux phénomènes induits par la motilité de bactéries du sol, Sinorhizobium meliloti et Burkholderia contaminans. Ces bactéries exhibent une nage en ''run-reverse'' qui se distingue de celle de la bactérie modèle Escherichia coli en ''run and tumble''.Dans un premier temps, grâce un dispositif expérimental novateur, nous avons pu étudier de façon quantitative la dynamique de l'aérotaxie de ces bactéries avec des mesures quasi-simultanées de trajectoires bactériennes et de concentration locale en oxygène. Cela nous a permis de déterminer la dépendance du coefficient aérotactique en la concentration en oxygène c de deux manières différentes : macroscopiquement à l’échelle de la population bactérienne en utilisant les profils spatiaux de concentrations et de vitesse, et microscopiquement à l’échelle de la bactérie en caractérisant la modulation du temps de run dans le gradient d’oxygène. Nos expériences mettent en évidence une variation du coefficient aérotactique en 1/c² qui vient démentir des résultats récents de la littérature.Dans un second temps, intéressés par le transport de billes microscopiques par motilité bactérienne, nous avons étudié le comportement de billes en polystyrène de diamètre compris entre 2 et 40 microns lorsqu’elles sont plongées dans une suspension concentrée de B. contaminans. En plus d’avoir retrouvé un mouvement diffusif, caractérisé par un coefficient de diffusion de un à deux ordres de grandeur supérieur à la diffusion thermique, nous avons mis en évidence une intéressante dynamique d'agrégation induite par la motilité de la suspension. Cette dynamique se caractérise par la formation d'amas denses, s'échangeant des billes en permanence, dont la taille augmente lentement en t1/3. Nous avons adapté un modèle d’agrégation qui montre un accord remarquable avec nos mesures expérimentales. En complément de ces considérations macroscopiques, nous avons étudié les interactions entre deux billes à plus petite échelle pour essayer de déterminer quelle physique contribue le plus à cette dynamique de formations de clusters, un mécanisme de déplétion ou les interactions hydrodynamiques générées par la nage de type pusher des bactéries.Les travaux de cette thèse ouvrent également de nouvelles pistes d’études très intéressantes. Par exemple, l’importance de l’aérotaxie en compétition ou en complément de la chimiotaxie lors de l’interaction plantes-bactéries de S. meliloti, ou encore le transport dirigé de billes micrométriques dans une suspension bactérienne soumise à un gradient d’oxygène.

Thanks to their huge diversity in nature, bacteria are a never-ending source of knowledge on the microscopical life happening all around us. Fluid physicists are particularly interested in the bacterial hydrodynamics, utilizing the recent progresses in microscopy and the rise of microfluidics. This Ph. D. thesis falls within this scope as we studied the dynamics of two phenomena induced by soil bacteria, Sinorhizobium meliloti and Burkholderia contaminans. These bacteria are swimming in a “run-reverse” manner, different from the “run and tumble” motion of the model bacteria Escherichia coli.Firstly, and thanks to a novel experimental setup, we managed to quantitatively study the aerotaxis dynamics of these bacteria with quasi-instantaneous measurements of bacterial trajectories and local oxygen concentration. This allowed us to characterize the aerotactic coefficient dependency on the oxygen concentration c in two ways: on the population scale with the spatial profiles of concentration and velocity, and on the bacterial scale by analyzing the run time variation in the oxygen gradients. Our experiments highlight a 1/c² evolution for the aerotactic coefficient, in contradiction with some recent studies.Secondly, following our interest in the transport of microscopic beads by bacterial motility, we studied the behavior of polystyrene beads of 2 to 40 um diameter while immerged in a concentrated suspension of B. contaminans. We observed an already discovered diffusive motion characterized by a diffusion coefficient one to two magnitude orders higher than that of thermal diffusion. But more importantly, we discovered that the beads were clustering due to the bacterial motility. This dynamic consists of the formation of denser zones, constantly exchanging individual bead, which size slowly grows as t1/3. We showed a great agreement of our experimental measurements with an adapted agrégation model that highlighted the important parameters. Besides these macroscopic considerations, we also studied at a smaller scale the interactions between pair of beads to help us understand which mechanism was mainly responsible for this clustering dynamic, a depletion mechanism or the hydrodynamic interactions induced the pusher-like swimming of the bacteria.This Ph. D. opens up some really interesting new perspectives. For instance, the role of aerotaxis in plant-bacteria symbiotic interaction of S. meliloti compared to the chemotaxis, or the directed transport of micrometer beads in a bacterial suspension subject to an oxygen gradient.