Formation de motifs bactériens: de la physique théorique à la biologie synthétique – Bactterns

Contexte:
L'étude de la formation des structures et motifs dans les systèmes biologiques constitue un pan entier de la science moderne, qui a fasciné des générations de chercheurs. Toutefois, les mécanismes clefs sont souvent cachés par la complexité du contexte biologique, empêchant jusqu'ici l'émergence d'une vision unifiée du domaine.

De fait, les travaux publiés sur le sujet l'abordent souvent sous un seul angle. Ainsi, bien que nos récents travaux sur la formation de motifs dans les colonies bactériennes aient été bien reçus par la communauté et aient donné lieu à des publications dans des revues majeures (PNAS et Science), ils souffrent également de ce travers. Le partenaire français a en effet proposé un mécanisme de formation de motifs, sans pouvoir le vérifier expérimentalement, tandis que le partenaire Hong-Kongais a modifié génétiquement des bactéries pour qu'elles produisent des motifs suivant un mécanisme très proche, mais sans pouvoir caractériser précisément ce dernier.

Un projet interdisciplinaire:
Nous pensons que toute avancée majeure nécessitera à la fois de faire le lien entre dynamique microscopique des cellules et formation macroscopique des structures biologiques, et d'aborder tant les aspects physiques que biologiques de la motilité cellulaire et des interactions cellule-cellule. Le projet Bactterns repose sur une approche intégrée combinant physique théorique et expérimentale d'une part, pour modéliser et caractériser précisément les systèmes biologiques étudiés, et la biologie synthétique d'autre part, pour contrôler le comportement des cellules via l'introduction de circuits génétiques ad hoc.

Coeur du projet:
Nous nous concentrerons sur deux expériences: la formation de motifs circulaires par les lignées d'E. coli synthétisées par le partenaire Hong-Kongais, et la transition entre migration en masse et formation de gouttes actives par B. subtilis récemment découverte au laboratoire MSC. Ces bactéries sont parmi les cellules les mieux caractérisées et nous disposons de nombreuses connaissances sur leur génome, leur régulation, et leur structures et fonctions cellulaires. De plus, les outils pour leur insérer des circuits génétiques sont bien maîtrisés. Ce sont donc de parfait systèmes d'étude. Par ailleurs, ces expériences sont largement complémentaires: d'abord, la nage tridimensionnelle d'E. coli en suspensions diluées diffère grandement du swarming de B. subtilis sur des gels d'agar. Ensuite, E. coli ne forme des motifs que suite à l'introduction délibérée d'un système de quorum-sensing réduisant la motilité bactérienne à haute densité, tandis que les mécanismes microscopiques à l'origine de la migration en masse de B. subtilis restent mal compris. Enfin, les outils théoriques et expérimentaux, physiques comme biologiques, pertinents pour l'étude de ces bactéries sont les mêmes, ce qui rend leur étude commune particulièrement judicieuse.

Un projet en deux axes:
- Nous ferons la synthèse de nos études théoriques et expérimentales passées sur la formation de motifs bactériens, pour comprendre et maîtriser les mécanismes de formation de motifs chez E. coli et B. subtillis.
- Nous disposerons alors de systèmes bien contrôlés que nous utiliserons pour des études de dynamique de population. Nous regarderons alors comment les interactions entre bactéries qui affectent leur répartitions spatiales peuvent servir à trier des cellules, induire la séparation spatiale de deux lignées distinctes, influer sur le phénomène de ségrégation génétique ou modifier la cohabitation de souches bactériennes distinctes.

Consortium:
La réussite de Bactterns reposera sur la complémentarité des équipes française et hong-kongaise, qui réunissent dans le consortium des expertises en physique, en modélisation mathématique et en biologie synthétique. De plus, cette synergie renforcera les deux pays sur le long terme grâce aux transferts technologiques entre les deux partenaires.