Couplages bidirectionnels entre cellules et populations: contrôle optogénétique de communautés microbiennes – Opt-MC

L'un des défis majeurs de la biologie est de comprendre comment le comportement à l'échelle des populations et des écosystèmes émerge des processus biochimiques se déroulant au sein de chaque cellule individuelle. Les processus intracellulaires sont intrinsèquement stochastiques et induisent une variabilité entre cellules dans les populations microbiennes isogéniques. La dynamique émergente des populations cellulaires est donc difficile à prévoir avec les outils de modélisation existants car elle dépend de l'interaction complexe entre cellules individuelles et les processus de population tels que sélection ou croissance. Dans ce projet, nous développerons des méthodes mathématiques pour analyser et simuler des modèles où la cinétique chimique stochastique intracellulaire, régie par l'équation maîtresse chimique, est couplée aux processus de population. Concrètement, nous utiliserons des approximations de diffusion combinées à des méthodes d'inférence de paramètres afin de garantir que les modèles de systèmes réels puissent être calibrés à partir de données expérimentales. En outre, nous nous intéresserons à la résolution de problèmes de contrôle optimal et nous utiliserons ces résultats pour déterminer comment les cellules doivent être stimulées pour garantir l'émergence des dynamiques de communauté microbienne souhaitées. Pour démontrer l'applicabilité de nos méthodes, nous étudierons un système de recombinaison artificielle inductible par la lumière pour partitionner une population de levures en deux sous-populations de cellules. Concrètement, nous étudierons un système dans lequel les cellules de levure arrêtent leur croissance lors de la recombinaison. Le système permet d'utiliser la lumière pour réguler la composition de la population de façon dynamique. En outre, nous développerons un modèle multi-échelle d'un système inductible par la lumière de production de protéines toxiques d'intérêt biotechnologique qui nuisent à la croissance cellulaire. Nous contrôlerons la population de telle sorte que la croissance et la production de protéines soient équilibrées de manière optimale dans le but de maximiser la quantité totale de protéines produites par la population.