NSF-ANR MCB/PHY: L'émergence de cohérence à longue portée dans des systèmes de micro-organismes mobiles avec un désordre – MotDis

Résumé:
Le mouvement autopropulsé conduisant à un comportement collectif à grande échelle se produit dans les systèmes vivants et synthétiques à toutes les échelles. Le contrôle du comportement collectif émergent des cellules et des bactéries constitue une étape clé vers la conception de matériaux vivants et biomimétiques, y compris des technologies biomédicales innovantes telles que l’ingénierie tissulaire. Des environnements prédéfinis (c'est-à-dire un désordre du type quenched) peuvent être utilisés pour contrôler des systèmes vivants actifs. Pourtant, la compréhension de l’effet du désordre du type quenched dans les systèmes actifs reste encore sous-développée. Une stratégie à deux volets sera exécutée pour comprender le comportement de la matière active vivante dans des milieux desordonnés: (1) étude expérimentale de la bactérie Bacillus subtilis, de l'amibe Dictyostelium discoideum et des cellules cancéreuses dans des environnements désordonnés; (2) Analyse théorique de modèles fondamentaux de matière active sur substrats désordonnés. Les systèmes expérimentaux sont choisis pour les raisons suivantes : (i) ils sont tous des micro-organismes modèles en recherche biologique. Leur comportement et leur génome sont bien caractérisés. (ii) Ils sont robustes et peuvent être cultivés en grande quantité. (iii) Bacillus subtilis présente une motilité de nage. Dictyostelium discoideum et les cellules cancéreuses démontrent une motilité de surface et une chimiotaxie. Les recherches permettront de contrôler la matière active vivante avec des interactions hydrodynamiques à longue portée (bactéries) et des interactions stériques à courte portée (cellules). Aronson (PI) mènera les études expérimentales. Peruani (collaborateur non financé par NSF) se concentrera sur la modélisation informatique.

Mérite intellectuel:
Le consensus au sein de la communauté de la matière active est que dans les ensembles de micro-organismes, l'ordre émergent provient de l'alignement des interactions entre voisins et de l'effet de désalignement du bruit externe, par exemple dû aux fluctuations thermiques ou aux mouvements du type "run-and-tumble" des bactéries. Cependant, le bruit extérieur n’est pas la seule et, surtout, la principale source de désalignement. Les particules autopropulsées se déplaçant sur un substrat désordonné – bactéries nageant dans un environnement poreux ou cellules cancéreuses rampant à travers une matrice extracellulaire hétérogène – sont affectées par les imperfections, la rugosité et les obstacles aléatoires du milieu. Notre objectif est de combiner expériences et modélisation théorique prédictive pour concevoir des environnements dans lesquels les micro-organismes - bactéries, amibes et cellules de mammifères - présentent un comportement collectif contrôlé et exécutent une fonction souhaitée. Les chercheurs développeront de nouvelles techniques expérimentales et des outils informatiques prédictifs pour le contrôle des cellules mobiles dans un environnement hétérogène.

Impact:
Une compréhension fondamentale de la motilité des cellules bactériennes et eucaryotes dans un environnement hétérogène est cruciale dans le contexte des infections bactériennes et de l’invasion des cellules cancéreuses. Cette recherche stimulera les techniques expérimentales et les outils mathématiques prédictifs pour les nouveaux matériaux biologiques et les technologies biomédicales innovantes. Les algorithmes informatiques produits seront open source et accessibles à de larges communautés scientifiques et techniques. Un aspect unique de la proposition est l'école franco-américaine « Living Disordered Active Matter ». Grâce à la recherche et à l'organisation de l'école, les étudiants et les postdoctorants bénéficieront d'une formation et d'un enseignement interdisciplinaires. Les étudiants apprendront les méthodes théoriques des mathématiques appliquées, les calculs et les techniques expérimentales utilisées en physique biologique et en ingénierie.