Modélisation physique de la respiration bactérienne et du transfert de charge

Physical modelling of bacterial respiration and charge transfer

• Auteur / Autrice : Camille Célariès
• Direction : Andrea Parmeggiani
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique et Astrophysique
• Date : Inscription en doctorat le 29/02/2024
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : L2C - Laboratoire Charles Coulomb
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Axe de Recherche Physique Théorique

Mots clés

Mots clés libres

Physique statistique

Biophysique

Biophysique procaryote

Bio-énergétique et transfer de charge transmembranaire

Physique des processus stochastiques

Simulations numériques

Physics of stochastic processes

Statistical Physics

Biophysics

Numerical simulations

Prokaryotic biophysics

Bio-energetics and transmembrane charge transfer

Résumé

La conversion d'énergie dans la plupart des systèmes bactériens implique l'utilisation d'un gradient électrochimique transmembranaire. Ce gradient est maintenu en conditions hors équilibre thermodynamique par l'activité de protéines membranaires de transport de protons reliées par des navettes électroniques lipidiques, les quinones, éléments clé du transport de chargé lié au processus de phosphorylation oxydative (OXPHOS). Ce processus alimente ainsi le gradient de charge qui pilote l'activité de moteurs rotatifs transmembranaires comme la F1-Fo-ATP-synthase ou le moteur flagellaire bactérien, machines fondamentales pour la vie de la bactérie. Ce projet de physique théorique inspirée par les systèmes biologiques a pour objectif de : 1) construire un modèle physique de respiration bactérienne issus de la physique statistique et de la théorie des processus stochastiques afin de comprendre les principes physiques de l'organisation spatiale (et notamment l'origine des phénomènes de séparation de phase en nanodomaines et leur réseau) et la dynamique de ces complexes, les OXPHOS, sur la membrane bactérienne; 2) comprendre comme l'organisation spatio-temporelle des complexes OXPHOS et la dynamique des quinones influencent la réactivité de ces complexes (étude de la réactivité des quinones en fonction de l'organisation des OXPHOS) et permettent la mise en place du gradient électrochimique transmembranaire (e.g. distribution organisée en domaines vs. éparpillées des réseaux de sources et puits de charges). 3) révéler l'importance fonctionnelle d'une telle organisation spatio-temporelle dans la biophysique du transfert de charge transmembranaire à l'échelle de la bactérie unique et d'une population de bactéries. Cela en particulier afin de comprendre le fonctionnement des OXPHOS dans la respiration des nitrates. Pour cet objectif, nous croiserons la modélisation physico-mathématique du transfert d'électrons à la membrane bactérienne, entre les complexes OXPHOS via les quinones, avec les données obtenues par des approches de microscopie de fluorescence à haute résolution spatiale et temporelle et des données du métabolisme bactérien (coll. A. Magalon et D. Marguet, Marseille). Les méthodes théoriques employés feront largement appel à la physique statistique, la théorie des processus stochastiques et aussi à la simulation/calculs numériques.

Energy conversion in most bacterial systems involves the use of a transmembrane electrochemical gradient. This gradient is maintained in non-equilibrium thermodynamic conditions by the activity of membrane proton transport proteins linked by lipid electron shuttles, the quinones, which are key elements of charge transport linked to the oxidative phosphorylation process (OXPHOS). This process feeds the charge gradient that drives the activity of transmembrane rotary motors such as F1-Fo-ATP-synthase or the bacterial flagellar motor, fundamental machines for the life of the bacteria. This project of theoretical physics inspired by biological systems aims to: 1) build a physical model of bacterial respiration from statistical physics and stochastic process theory in order to understand the physical principles of spatial organization (and in particular the origin of phase separation phenomena in nanodomains and their network) and the dynamics of these complexes, the OXPHOS, on the bacterial membrane ; 2) understand how the spatial and temporal organization of OXPHOS complexes and the dynamics of quinones influence the reactivity of these complexes (study of the reactivity of quinones as a function of the organization of OXPHOS) and allow the establishment of the transmembrane electrochemical gradient (e.g. organized vs. scattered distribution of charge sources and sinks networks) ; 3) reveal the functional importance of such a spatio-temporal organization in the biophysics of transmembrane charge transfer at the scale of the single bacterium and of a population of bacteria. In particular, this will help us to understand the function of OXPHOS in nitrate respiration. For this purpose, we will cross physical-mathematical modeling of electron transfer at the bacterial membrane, between OXPHOS complexes via quinones, with data obtained by high spatial and temporal resolution fluorescence microscopy approaches and bacterial metabolism data (coll. A. Magalon and D. Marguet, Marseille). The theoretical methods employed will make extensive use of statistical physics, the theory of stochastic processes and also numerical simulation/calculation.