Adaptation aux perturbations d’une communauté bactérienne multi-espèces en biofilm: une approche pluridisciplinaire – ACToP

Le projet a pour but de découvrir les principes fondamentaux qui régissent l'adaptation aux perturbations des communautés bactériennes multi-espèces sur un modèle constitué d'un biofilm bactérien 4-espèces (4S) d’origine naturelle. Dans la nature, ces systèmes jouent un rôle crucial dans les cycles biogéochimiques du carbon, de l’azote et de l’eau; leur perturbation ne peut que s’accompagner de conséquences marquantes à l’échelle globale. Cependant on ignore actuellement la façon dont ces communautés vont répondre aux changements climatiques. L’examen de cette question à l’échelle des écosystèmes naturels est difficilement réalisable car on ne peut faire varier et contrôler rationnellement les conditions environnementales. Par ailleurs les modèles de communauté bactérienne en laboratoire sont le plus souvent mono-espèce alors que l’on commence à comprendre que les interactions inter-espèces sont cruciales. Pour mieux comprendre les facteurs qui supportent l’adaptation de ces communautés aux perturbations, nous proposons de réunir des biophysiciens et des microbiologistes qui examineront les réponses globales et moléculaires de la communauté modèle 4S à des changements environnementaux contrôlés en laboratoire. Dans une première phase, nous chercherons à établir une description phénotypique quantitative couplée à une description génétique du biofilm 4S installé sur une plateforme microfluidique qui permettra de contrôler toutes les conditions physiques et chimiques ainsi que de suivre en temps-réel de la communauté. Une approche combinatoire — tous les biofilms de mono- à 4-espèces seront étudiés en parallèle — permettra d’identifier les interactions inter-espèces dans un état de référence. Nous mènerons ensuite une deuxième phase d’application de toute une série de perturbations contrôlées de diverses natures ¬— chimiques, physiques et sociales — afin de détecter des trajectoires adaptatives caractéristiques (résistance, résilience ou redondance) et de sélectionner des stades d’adaptation remarquables — climax ou plateau — qui seront ensuite étudiés du point de vue génétique dans la 3ème phase du projet. Lors de celle-ci, on étudiera les modifications transcriptionnelles et les altérations génomiques survenues aux points saillants des trajectoires adaptatives sélectionnées. D’autre part, nous mènerons une analyse théorique qui permettra de modéliser la dynamique des populations induite par les perturbations. Ce programme comporte plusieurs défis méthodologiques et technologiques comme la mise en place d’une méthode quantitative de description du phénotype, la mise au point de l’automatisation de l’expérience requise par l’approche combinatoire et le screening des perturbations. Les analyses génétiques qui devront se faire dans le contexte multi-espèces nécessiteront la mise en œuvre des dernières avancées techniques du domaine. Notre démarche vise à relier les informations phénotypiques et génétiques par une présélection des trajectoires pertinentes et des analyses phénotypiques et génétiques corrélées sur des points définis de la trajectoire.
L’achèvement de notre programme devrait apporter un premier éclaircissement sur le rôle des interactions inter-espèces dans l’architecture de la communauté mixte et sa capacité à s'adapter à une contrainte donnée, de nouveaux outils expérimentaux pour analyser les communautés bactériennes adhérentes, de nouvelles stratégies pour contrôler les biofilms bactériens, voire de nouvelles pistes pour l’assemblage artificiel de communautés artificielles aux fonctions définies. Enfin, notre travail permettra d’évaluer le potentiel des systèmes modèles multi-espèces simplifiés cultivés en géométrie microfluidique pour comprendre et prévoir la dynamique des communautés naturelles