Modélisation du transport d'anticorps et de bactéries dans le système digestif – TABAG

Dans le tube digestif, il y a à la fois des bactéries commensales bénéfiques pour l'organisme hôte, mais aussi des bactéries pathogènes qui cherchent à envahir l'hôte. Comment l'hôte contrôle son microbiote? Un des outils de l'hôte est son système immunitaire. L'effecteur principal de la réponse immunitaire adaptative dans le système digestif est la sécrétion d'un type d'anticorps, les immunoglobulines A (sIgA). C'est une molécule qui a une forte affinité avec une cible, par exemple un motif présent sur la surface d'une souche bactérienne. Mais une fois liés à des bactéries, ces anticorps ne tuent pas ni n'empêchent ces bactéries de se répliquer. Par contre, ces anticorps peuvent lier des bactéries entre elles. Ce système peut être vu comme un système physico-chimique, avec un écoulement hydrodynamique complexe, et une concentration spatialement variable de molécules réactives et de leurs cibles. Il y a beaucoup de questions ouvertes sur les mécanismes d'actions des sIgA, mais il est difficile d'y répondre quantitativement, parce que pour le moment, il n'y a pas de modèle spatial de la concentration de sIgA dans le tube digestif, qui prenne en compte comment les anticorps sont transporté le long du tube digestif. Un tel modèle doit prendre en compte non seulement la concentration d'anticorps, mais aussi quelle proportion est lié à leurs cibles, ou est libre, en particulier quand leurs cibles sont des bactéries. Notre hypothèse est que la description physique de ce système, un système avec un écoulement et un mélange hydrodynamique complexe, des inhomogénéités dans la production d'anticorps, et dans la concentration de leurs cibles, permettrait de comprendre le profil spatial de la concentration en anticorps, et comment ils interagissent avec les bactéries. La barrière principale est de construire une représentation spatiale approchée du tube digestif et du transport de son contenu, assez simple pour pouvoir permettre une étude numérique et même analytique, et comprendre quels sont les ingrédients importants, tout en gardant les propriétés essentielles du système réel. Le projet est articulé autour de trois grand buts. Le premier est de développer un modèle spatial simple, dans lequel le transport est représenté unidimensionnellement, avec une vitesse moyenne, et une diffusion effective qui représente le mélange. Après une revue systématique de la littérature, nous partirons d'un modèle préliminaire, que nous étudierons plus systématiquement numériquement, nous l'étendrons dans plusieurs directions, nous essaierons d'en trouver des approximations analytiques, et nous comparerons les résultats à des données expérimentales. Le deuxième grand but est de développer une meilleure approximation du transport dans le tube digestif, qui serait suffisamment simple pour l'utiliser dans notre modèle spatial de concentration d'anticorps, tout en étant une meilleure représentation de l'écoulement réel, à plusieurs échelles. Pour trouver des approximations analytiques nouvelles, nous partirons d'études en simulation numérique des flux hydrodynamiques, confrontées à des expériences. Le troisième grand but sera de combiner le modèle du but 1 et la nouvelle approximation du but 2, et utiliser le nouveau modèle ainsi créé pour répondre à différentes questions sur les mécanismes qui font que les anticorps sont utiles, et aussi sur l'évolution bactérienne. Ce projet bénéficie de collaborations existantes avec une immunologiste, un spécialiste du transport dans le système digestif (à la fois expérimental et numérique), et d'une théoricienne biophysique travaillant sur l'impact de la structure des populations sur l'évolution. Ce que nous attendons de ce projet, c'est une meilleure compréhension, plus quantitative, de l'interaction entre anticorps et bactéries dans le tube digestif; et en plus, des modèles spatiaux du système digestif et des approximation de transport qui pourront être réutilisées dans d'autres contextes.