La ruée vers l'air : comment les bactéries naviguent-elles dans des environnements complexes d'écoulement et d'oxygène ?

The air-flow rush: How do bacteria navigate complex oxygen-flow environments?

• Auteur / Autrice : Tristan Cerdin
• Direction : Carine Douarche, Emmanuelle Rio, Sophie Marbach
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Physique
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : Physique en Ile de France
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fluides, Automatique et Systèmes Thermiques
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay

Mots clés

Mots clés libres

Matière active

Motilité bactérienne

Aérotactisme

Active matter

Bacteria motility

Aerotaxis

Résumé

Pour favoriser la guérison et la recolonisation des sols dégradés, il est essentiel de comprendre comment les formes de vie minuscules, telles que les micro-organismes, peuvent naviguer dans ces environnements et y nicher de manière durable. Pour coloniser un nouveau milieu, les bactéries ont besoin de certaines conditions minimales : un milieu fluide porteur et des substances chimiques telles que l'oxygène et les nutriments. Dans les sols, ces conditions environnementales sont intrinsèquement complexes : les fluides circulent dans des milieux poreux et l'oxygène et les autres sources de nutriments sont distribués de manière hétérogène. Des progrès considérables ont été réalisés dans la compréhension de la navigation et de la colonisation sous l'effet de facteurs environnementaux uniques. Par exemple, nous savons que les bactéries migrent vers des zones riches en nutriments grâce au chimiotactisme et qu'elles s'y développent plus rapidement, créant ainsi des boucles de rétroaction qui influencent les schémas spatiaux et la stabilité de la colonie. Nous savons également que les bactéries ont tendance à nager à contre-courant. Or, dans des environnements réalistes, les flux de fluides et les gradients chimiques sont souvent présents en même temps. Étant donné que les écoulements de fluides modifient les gradients chimiques, qui modifient tous deux la nage d'une bactérie de différentes manières, quelles sont les boucles de rétroaction de la motilité des bactéries dans ces environnements complexes ? Et comment affectent-elles la navigation d'une colonie bactérienne entière ? Le problème est intrinsèquement multi-échelle, depuis les gradients de concentration à l'échelle d'une bactérie jusqu'à la colonisation à grande échelle de milliers d'individus. Pour progresser sur ces questions, l'objectif du doctorat sera de développer des expériences et des modèles, afin de comprendre le comportement des bactéries dans un environnement hétérogène, soumises à un gradient d'oxygène dans un écoulement [1, 2]. Un nouveau cadre d'analyse, reposant sur les fluctuations du nombre de bactéries dans les boîtes d'analyse au cours du temps [3], sera établi dans ce contexte de colonisation. Il nécessite la construction de théories avancées pour interpréter les propriétés statistiques de ces comptages fluctuants. Elle sera directement appliquée aux données expérimentales acquises au laboratoire pour mettre en lumière les dynamiques hétérogènes et collectives des bactéries. Les résultats permettront d'élargir notre compréhension de la colonisation des micro-organismes. L'étude permettra également de quantifier comment les gradients d'oxygène modifient le comportement des bactéries sous écoulement.

To foster the healing and recolonization of degraded soils, it is key to understand how minuscule life forms, such as microorganisms, might navigate these environments and nest sustainably. To colonize a new medium, bacteria require certain minimal conditions: a supporting fluid medium and chemicals such a as oxygen and nutrients. In soils, these environmental conditions are intrinsically complex: fluids flow through porous media and oxygen and other nutrient sources are heterogeneously distributed. Much progress has been made on understanding navigation and colonization under single environmental factors. For instance, we know bacteria migrate to nutrient-rich areas through chemotaxis and grow faster there, creating feedback loops that influence spatial patterns and colony stability. We also know that bacteria tend to swim up against fluid flows. Yet, in realistic environments, fluid flows and chemical gradients are often present at once. Since fluid flows modify chemical gradients, both of which modify a bacterium's navigation in different ways, what are the feedback loops of bacteria motility in these complex environments? And how do they affect the navigation of an entire bacterial colony? The problem is intrinsically multiscale, from concentration gradients at the scale of a bacteria to large scale colonization of thousands of individuals. To make progress on these questions, the goal of the PhD will be to develop experiments and models, to understand the behavior of bacteria in a heterogeneous environment, in the presence of an oxygen gradient and a flow [1, 2]. A new analysis framework, relying on number fluctuations of bacteria in analysis boxes over time [3], will be established in this colonization context. It requires to build advanced theories to interpret the statistical properties of these fluctuating counts. It will be directly applied to experimental data acquired in the lab to shed light on heterogeneous and collective dynamics of bacteria. The results will broaden our understanding of microorganism colonization. The study will also enable to quantify how oxygen gradients modify bacteria behavior under flow.