The physics of multicellular organization in bacteria – BactPhys

L'idée est d'utiliser des expériences simples avec des bactéries, en utilisant de la microscopie «phase-contrast» pour enregistrer la position et l’orientation des bactéries au fil du temps. Analyser ces données pour construire des modèles des agents (ABM) compatibles avec l'observation expérimentale au niveau individuel. La prochaine étape consiste à analyser les propriétés à grande échelle de l'ABM par des simulations à grande échelle et à comparer ces résultats avec l'observation expérimentale au niveau de la colonie. Enfin, l'intention est de faire un «coarse-graining» de l'ABM pour arriver à une description en terme d'équations hydrodynamiques et comprendre les propriétés émergentes en termes de ces équations. Cela nous permettra de classer les comportements collectifs et d'identifier les ingrédients microscopiques essentiels, ainsi que de placer les modèles bactériens étudiés dans le contexte plus large de la matière active.

On a avancé au niveau: a) de la théorie (avec des simulations à grande échelle et en dérivant d'équations hydrodynamiques) et b) des expériences, de l’analyse de données et de la modélisation mathématique (avec des expériences avec des bactéries, des analyses d'images, des algorithmes de suivi, des simulations et des calculs analytiques). Les résultats obtenus jusqu'ici ont dépassé les attentes initiales, et certains des résultats publiés ont suscité l'intérêt des médias scientifiques. Ci-dessous, nous énumérons certains des résultats scientifiques obtenus:
- Nous avons constaté qu'il est possible de décrire la régulation des inversions de vitesse observées chez certaines bactéries telles que les myxobactéries en utilisant une horloge interne. En couplant ce modèle d'horloge avec un modèle de motilité, nous découvrons des propriétés de transport non triviales et l'existence d'un bruit optimal.
- Nous avons constaté qu'il existe des instabilités qui conduisent à la formation des régions où les bactéries s'accumulent et se déplacent de façon nématique (appelées bandes) en l'absence de communication biochimique et uniquement en raison d'interactions physiques.
- Nous avons montré que les interactions attractives à courte portée, si la troisième loi de Newton est brisée, peuvent conduire à une multitude de phénomènes uto-organisés, y compris la formation de la bande nématique et du vortex, comme cela a été observé chez certains systèmes bactériens.
- En utilisant des expériences avec Salmonella qui se déplacent près d’une surface, où des cellules hôtes ont été ancrés, nous avons montré que le processus de recherche des cellules hôtes est principalement stochastique, la chimiotactisme ne fonctionne pas et la variabilité interindividuelle des coefficients de diffusion est gigantesque (variation de quatre ordres de grandeur).

Une série de nouveaux résultats interdisciplinaires sont attendus pour la deuxième partie du projet, ainsi que de nouveaux travaux théoriques. Les premiers résultats obtenus nous ont permis de concevoir deux nouveaux projets: un projet qui a comme objectif trouver des stratégies alternatives de lutte contre les infections bactériennes en collaboration avec D. Czerucka, collaborateur externe dans ce projet (avec F. Peruani en tant que PI) et un second projet sur l’aspect multi-échelle associées au cycle de vie des myxobactéries en collaboration avec le groupe expérimental de Tam Mignot à Marseille.

1. Diffusion properties of active particles with directional reversal, R. Grossmann, F. Peruani, M. Bär, New J. Phys. 18 043009 (2016)
[Read a Perspective on this work by Carsten Beta : iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/18/5/051003/meta]

2. Pattern formation of self-propelled rods with directional reversal, R. Grossmann, F. Peruani, M. Bär, Phys. Rev. E 93, 040102(R) (2016)

3. Large-scale patterns in a minimal cognitive flocking model: incidental leaders, nematic patterns, and aggregates, L. Barberis, F. Peruani, Phys. Rev. Lett. 117, 248001 (2016)
[Read the Synopsis: «Flocks Without Memory« by Matteo Rini in Physics: physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.117.248001 -- the article was covered in other news outlets as well]

4. Hydrodynamic equations for flocking models without velocity alignment, F. Peruani, J. Phys. Soc. Jpn. 86, 101010 (2017)

5. Salmonella Typhimirium in the search of host cells, S. Otte, E. Perez-Ipiña, R. Pointier-Bres, D. Czerucka, F. Peruani, Submitted 2017

6. A polar bundle of flagella can drive bacterial swimming by pushing, pulling, or coiling around the cell body, M. Hintsche, V. Waljor, R. Grossmann, Marco J. Kuhn, K.M. Thormann, F. Peruani, C. Beta, submitted (2017)

Pour la grande majorité des espèces de bactéries, la survie requiert une organisation multicellulaire, et est donc un phénomène collectif. C'est le cas, par exemple, chez myxobactéries qui présentent un comportement multicellulaire complexe et sont utilisées comme organismes modèles pour étudier les processus de formations de structures bactériennes, comme : l'agrégation, l'adaptation collective, la différentiation cellulaire, l'organisation et le déplacement de colonies, la formation de fructifications complexes. Comprendre l'organisation multicellulaire des bactéries est fondamental pour améliorer notre connaissance de processus aussi importants que les infections bactériennes et les cycles de l'azote, du carbone et du soufre, régulés par les bactéries; ces cycles sont nécessaires à la vie dans les sols, les eaux et l'atmosphère. En bref, la vie sur Terre telle qu'on la connaît dépend directement de la survie des bactéries, et celles-ci sont une clé pour contrôler notre environnement.

Pour étudier l'organisation multicellulaire des bactéries, nous proposons une approche innovante, fondée sur la compréhension de mécanismes physiques, afin d'identifier les ingrédients minimaux requis pour coordonner des processus complexes, comme la formation de fructifications (fruiting bodies). Il s'agit d'un projet multidisciplinaire, qui inclut de la modélisation mathématique, des simulations numériques intensives, et des expériences biologiques simples. Les objectifs sont i) le développement de modèles microscopiques réalistes pour la formation de structures chez les myxobactéries, et ii) l'obtention des équations hydrodynamiques correspondantes pour décrire le comportement macroscopique de la colonie. C'est un programme ambitieux qui nécessite le développement d'outils physiques et mathématiques nouveaux, et la réalisation d'expériences fondamentales sur des bactéries. Le développement d'un tel cadre théorique aura un impact au delà de la modélisation des bactéries et de la compréhension des structures bactériennes; en effet, ce travail peut être placé dans le contexte plus large de la théorie de la "matière active", qui a des applications aussi variées que la croissance tissulaire et la conception de matériaux biomimétiques.