Etude de l'interaction entre un phage et une bactérie par microcavité optique

Phage bacterium interaction under optical trapping by a microcavity

• Auteur / Autrice : Dylan David
• Direction : Emmanuel Hadji, Pierre Marcoux
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Nanophysique
• Date : Inscription en doctorat le 01/02/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : PHotonique, ELectronique et Ingéniérie QuantiqueS

Mots clés

Mots clés libres

Nanophotonique

Microcavités et cristaux photoniques

Interface de la physique et du vivant

Microbiologie

Composants optiques intégrés

Nanophotonics

Microcavities and photonic cristals

Physics life sciences interfacce

Microbiology

Integrated optical devices

Résumé

Depuis leur découverte, l'identification de pathogènes (bactéries) est basée sur la culture en boite de pétri et sur l'observation de colonies. Depuis 20 ans, l'avènement des micro- et nanotechnologies ouvre de nouvelles opportunités pour sonder les propriétés physiques des cellules individuelles dans le but de proposer des méthodes de diagnostic innovantes. L'optique, en espace libre (pinces optiques) ou intégrée (nanophotonique), pourrait jouer un rôle clé dans la microbiologie future afin de piéger, identifier des bactéries individuelles de manière non destructive Dans ce contexte, le consortium (CEA/IRIG/SiNaPs, CNRS/LTM, CEA/DTBS) a récemment démontré [1,2] qu'un microrésonateur optique sur silicium permettait en premier lieu de piéger la bactérie individuelle issue de différentes familles de bactérie. De plus, l'analyse de la signature optique permet l'identification instantanée de la souche bactérienne. Couplé à des modélisations électromagnétiques, la détermination précise de la variation d'indice de réfraction de la membrane des bactéries permet de suivre leurs métabolismes [3,4]. Parmi les paramètres de piégeage, nous étudierons plus en détail le gradient d'indice entre la bactérie à piéger et le milieu aqueux environnant. En particulier, nous augmenterons l'indice des bactéries en les marquant au deutérium, grâce à des cultures en présence d'eau lourde. Dans un premier temps, nous déterminerons, pour les souches actuellement non piégeables, à partir de quel indice est permis le piégeage. Puis dans un second temps, nous établirons la relation entre l'état de la bactérie et la quantité de deutérium assimilée. L'objectif final est de permettre la mesure du métabolisme, sur cellule unique, par l'intermédiaire du marquage au deutérium et du piégeage sur microcavités Dans le cadre de ce sujet de thèse, nous envisageons d'étendre ces études en développant de nouvelles technologies optofluidiques adaptés à la microbiologie pour accéder à des processus intra-cellulaire. Le candidat devra étudier dynamiquement le rôle des bactériophages sur une bactérie piégée. Cette thèse pluridisciplinaire bénéficiera de l'expertise du DTBS en microbiologie/culture cellulaire, de l'IRIG en spectroscopie/nanophotonique et du LTM en technologie silicium/microfluidique. L'étudiant devra avoir une forte aptitude au développement expérimental (banc optique, micro- et nanotechnologie, culture cellulaire). Il devra développer un travail d'équipe multidisciplinaire. Le travail sera conduit dans le cadre d'une ANR Franco-Suisse avec le CHUV de Lausanne et L'EPFL. Au quotidien l'étudiant bénéficiera d'une forte synergie entre le laboratoire SiNaPS du CEA/IRIG/Pheliqs, le laboratoire LETI/DTBS et le CNRS/LTM (équipe Micronanotechnologie pour la santé) sur le campus MINATEC du CEA. L'étudiant utilisera les plateformes de technologie du campus (LETI et PTA). L'environnement matériel (instrumentation, mission, consommable) sera financé par le projet ANR SUPPLY et les ressources de chacun des laboratoires impliqués. [1] Appl. Phys. Lett. 109, 133510 (2016) [2] Nature Photonics 10, 628–629 (2016) [3] Appl. Phys. Lett. 113, 111101 (2018) https://doi.org/10.1063/1.5037849 [4] Small 2022, 18, 2103765 (2022) https://doi.org/10.1002/smll.202103765

Since their discovery, the identification of pathogens (bacteria) has been based on culture in petri dishes and observation of colonies. Over the last 20 years, the advent of micro- and nanotechnologies has opened up new opportunities for probing the physical properties of individual cells with the aim of proposing innovative diagnostic methods. Optics, in free space (optical tweezers) or integrated (nanophotonics), could play a key role in future microbiology in order to trap and identify individual bacteria non-destructively. In this context, the consortium (CEA/IRIG/SiNaPs, CNRS/LTM, CEA/DTBS) recently demonstrated [1,2] that an optical microresonator on silicon can firstly trap individual bacteria from different bacterial families. In addition, analysis of the optical signature enables instant identification of the bacterial strain. Coupled with electromagnetic modelling, the precise determination of the variation in refractive index of the bacteria's membrane makes it possible to monitor their metabolisms [3,4]. Among the trapping parameters, we will study in more detail the index gradient between the bacteria to be trapped and the surrounding aqueous medium. In particular, we will increase the index of the bacteria by labelling them with deuterium, using cultures in the presence of heavy water. Initially, we will determine the index at which trapping is permitted for strains that cannot currently be trapped. Secondly, we will establish the relationship between the state of the bacteria and the quantity of deuterium assimilated. The final objective is to measure metabolism, on a single cell, using deuterium labelling and microcavity trapping. As part of this thesis, we plan to extend these studies by developing new optofluidic technologies adapted to microbiology in order to gain access to intra-cellular processes. The candidate will have to study dynamically the role of bacteriophages on a trapped bacterium. This multidisciplinary thesis will benefit from the expertise of the DTBS in microbiology/cell culture, the IRIG in spectroscopy/nanophotonics and the LTM in silicon/microfluidic technology. The student should have a strong aptitude for experimental development (optical bench, micro- and nanotechnology, cell culture). They will be expected to develop multidisciplinary teamwork. The work will be carried out as part of a Franco-Swiss ANR with the CHUV in Lausanne and the EPFL. On a day-to-day basis, the student will benefit from a strong synergy between the CEA/IRIG/Pheliqs SiNaPS laboratory, the LETI/DTBS laboratory and the CNRS/LTM (Micronanotechnology for Health team) on the CEA MINATEC campus. The student will use the campus technology platforms (LETI and PTA). The material environment (instrumentation, mission, consumables) will be financed by the ANR SUPPLY project and the resources of each of the laboratories involved. [1] Appl. Phys. Lett. 109, 133510 (2016) [2] Nature Photonics 10, 628–629 (2016) [3] Appl. Phys. Lett. 113, 111101 (2018) https://doi.org/10.1063/1.5037849 [4] Small 2022, 18, 2103765 (2022) https://doi.org/10.1002/smll.202103765