Sujet de thèse : Vers un modèle spatio-temporel de la croissance microbienne capable de prédire les basculements de métabolisme, CentraleSupélec, Pomacle (Grand Est)

La modélisation de la croissance microbienne a fait l’objet de nombreux travaux. Depuis les travaux précurseurs de Tessier (1942) et de Monod (1942), la compréhension des mécanismes et leur modélisation n’a cessé de progresser (Trelea et al. 2001). Récemment, une équipe de l’INRAE a proposé un modèle basé sur la théorie de la transition d’état microbienne (Microbial Transition State theory ; Desmond-Le Quéméner et Bouchez, 2014).

Ce modèle a comme énorme avantage sa capacité prédictive avec très peu de paramètres à identifier. Dans sa version actuelle, il ne permet cependant pas de considérer des voies alternatives pour obtenir la même ressource, par exemple des molécules d’ATP, à partir de photons ou de substrats, dans le cas de micro-algues capables de réaliser un métabolisme autotrophe ou hétérotrophe.

Notre équipe a très récemment proposé un modèle de croissance de levures basé sur les bilans de matière (bilans stœchiométriques), d’énergie et de transporteurs d’électrons (La et al. 2020 ; Fig. 1). Avec assez peu de paramètres à déterminer, ce modèle de croissance est capable de prédire des voies métaboliques en fonction des conditions de croissance.

Ce travail de thèse propose d’étendre ce modèle au cas de microorganismes photosynthétiques. Des cultures immobilisées seront choisies comme expérience pour développer ces modèles. En effet, pour les organismes photosynthétiques en particulier, les cultures immobilisées permettent d’obtenir des gradients spatiaux stables des conditions de croissance.

2.1 FORMULATION

Un travail bibliographique sera mené en début de thèse afin de proposer une formulation des voies métaboliques possibles pour des micro-algues, en prenant à la fois les voies de croissance autotrophe et celles de croissance hétérotrophe.

2.2 SIMULATION NUMERIQUE

Dans le travail de thèse proposé, la synergie entre expérimentation et modélisation sera très structurante. Cela nécessite de résoudre les formulations proposées afin d’obtenir des simulations pouvant être confrontées aux expériences. La configuration des cultures immobilisées nécessite de calculer des champs spatio-temporels du développement cellulaire d’une part et de son interaction avec les conditions de croissance, elles-mêmes fonction du temps et de l’espace (Fig. 2).

Fig. 2. Structuration spatiale d’une colonie de microalgues en présence ou en absence de lumière, déduite de suivis expérimentaux de colonies, avec suivi en rayon, hauteur et bilans de gaz (Zhang and Perré, 2020).

Les cultures mixtes de levure et de micro-algues ont pour principal intérêt une meilleure utilisation du carbone. En effet, la présence de microorganismes photosynthétique dans le même réacteur que les levures permet de recycler le CO2 émis lors de la fermentation comme source de carbone pour la photosynthèse (La et al. 2019). Le contrôle de ces cultures mixtes, notamment le maintien d’un équilibre permettant d’assurer cette synergie, n’est cependant pas simple pour plusieurs raisons :

• Le taux de croissance de ces deux microorganismes est très contrasté,
• Le pH optimal est différent,
• Le substrat nécessaire aux levures permet aux micro-algues de basculer en croissance hétérotrophe,
• Les carences en oligoéléments peuvent s’exprimer de façon très différente pour les deux micro-organismes.

Dans cette dernière partie de la thèse, les deux modèles (levure et micro-algue) seront couplés de façon à simuler des cultures mixtes immobilisées dans plusieurs conditions de croissance. Cela permettra dans un premier temps de tester des effets pris en compte directement par ces modèles : partage du substrat, différence du taux de croissance, échanges gazeux (O2 et CO2), stratification spatiale au sein de la colonie, entre autres. En comparant les prédictions du couplage entre les deux modèles à des essais expérimentaux de cultures mixtes, des conclusions seront tirées sur les mécanismes bien représentés et ceux qui échappent au simple couplage des modèles. Cela peut ouvrir de nouvelles pistes de réflexion.

Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux, LGPM

Le laboratoire LGPM intervient sur deux champs d’investigation en étroite interaction : le Génie des Procédés/bioprocédés et les Matériaux. Modélisation, simulation et expérimentation sont les piliers communs des différents thèmes de recherche abordés.

La Chaire de Biotechnologie de CentraleSupélec, inaugurée en novembre 2010 et hébergée par le Centre Européen de Biotechnologie et de Bioéconomie (CEBB), intervient dans trois domaines d’expertise :

• Caractérisation & conversion des lignocellulosiques,
•  Biotransformation,
• Techniques séparatives.

Adossée au Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux, la Chaire assure un lien étroit entre son établissement de tutelle, CentraleSupélec, et les acteurs économiques et académiques du territoire, en mettant son expertise de R&D au service de projets innovants.

CentraleSupélec, avec sa formation d’ingénieurs généralistes de haut niveau, dispose d’une forte expertise en modélisation appliquée au génie des (bio)procédés et aux (bio)matériaux. En complément des approches expérimentales, les trois axes thématiques de la Chaire s’appuient donc naturellement sur un socle de compétences en Modélisation, simulation & visualisation plus particulièrement orienté vers la modélisation du vivant et le passage à l’échelle industrielle.

La Chaire de Biotechnologie de CentraleSupélec, renouvelée en 2020, est cofinancée par le Département de la Marne (7 M€), le Grand Reims (1 M€), la Région Grand Est et l’Union Européenne avec le Fonds Européen de Développement Régional FEDER Champagne Ardenne 2014-2020 (3,65 M€).

• Formation en génie des procédés ou bioprocédés, attiré par les biotechnologies.
• Niveau élève ingénieur en dernière année ou master M2.
• Fort intérêt pour la modélisation.
• Savoirfaire en programmation.
• Nous recherchons un candidat curieux, autonome, dynamique et rigoureux. Une bonne maitrise de l’anglais est essentielle. De bonnes capacités relationnelles sont aussi demandées pour une intégration rapide aux laboratoires.

Pour postuler

Candidater sur le site de l’Association Bernard Gregory.