Fluctuations dans les lignées et populations de cellules : un point de vue thermodynamique
Auteur / Autrice : | Arthur Genthon |
Direction : | David Lacoste, Jérémie Unterberger |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Physique |
Date : | Soutenance le 14/10/2022 |
Etablissement(s) : | Université Paris sciences et lettres |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Gulliver (Paris) - Gulliver (UMR 7083) |
établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....) | |
Jury : | Président / Présidente : Erik Aurell |
Examinateurs / Examinatrices : David Lacoste, Jérémie Unterberger, Philipp Thomas, Marie Doumic, Claude Loverdo, Reinaldo Garcia Garcia, Edo Kussell | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Erik Aurell, Philipp Thomas |
Résumé
Les expériences sur les cellules en croissance peuvent être menées soit en croissance libre, soit dans des géométries qui confinent la colonie et limitent sa croissance. Comment échantillonner les arbres généalogiques de ces populations pour chaque configuration ? Y a-t-il des biais statistiques entre eux ? Comment quantifier la sélection naturelle pour ces populations ? Ce sont les principales questions que nous abordons dans cette thèse.Dans une première partie, nous étudions le biais statistique entre le niveau lignée unique et le niveau population, qui présente des similitudes avec les théorèmes de fluctuation en thermodynamique stochastique.Pour cela, nous développons un formalisme basé sur les histoires des lignées d'une même population, et nous obtenons des contraintes universelles qui sont exploitées dans deux directions.Premièrement, ce biais nous renseigne sur la force de la sélection, qui quantifie les corrélations entre les valeurs d'un trait cellulaire et le succès reproductif de la lignée. Cette sélection résulte de la variabilité des lignées dans la population, que nous analysons en utilisant la théorie de la réponse linéaire. Nous généralisons le formalisme pour autoriser les situations où les lignées se terminent avant la fin de l'expérience, en raison de la mort cellulaire et de la dilution. Nous montrons comment les lignées mortes doivent être prises en compte dans les différents échantillonnages, et comment la mort affecte la variabilité phénotypique et donc la force de la sélection.Deuxièmement, nous montrons comment les données de lignées uniques peuvent être utilisées pour inférer des propriétés au niveau de la population, comme le taux de croissance de la population, ou paramètre de Malthus. En nous concentrant sur les populations de cellules régulées en taille, nous obtenons les distributions de taille à l'équilibre pour les expériences de lignées uniques, qui peuvent aussi être utilisées pour inférer les paramètres du cycle cellulaire tels que le taux d'élongation des cellules et l'asymétrie de la division. En outre, nous montrons comment différentes sources de stochasticité peuvent modifier le biais lignée-population pour les statistiques de taille.Dans une deuxième partie indépendante, nous proposons une description thermodynamique de la croissance et de la division cellulaire à l'aide de modèles macroscopiques simples de contrôle de la taille.Cette question est importante pour comprendre comment les colonies de cellules sont contraintes par la thermodynamique.En décomposant la division cellulaire en deux sous-processus : le branchement (création d'une nouvelle cellule identique), et la réinitialisation, ou textit{resetting} (modification des propriétés des deux cellules), nous dérivons les deux lois de la thermodynamique pour une colonie de cellules, et nous identifions la contribution de chaque processus au changement d'énergie moyenne et d'entropie de Shannon. Cela nous permet de comprendre comment les distributions d'âge et de taille sont affectées par la division cellulaire du point de vue de la théorie de l'information.