Réponse aérostatique et contrôle magnétique d'une bactérie magnétotactique (MSR-1)

Dans le cadre de mon doctorat, j'ai étudié le comportement de MSR-1 (Magnetospirillum gryphiswaldense), une bactérie qui synthétise, dans des conditions optimales de faible teneur en oxygène, un organite appelé magnétosome qui confère à la bactérie d'intéressantes propriétés magnétotactiques. Cependant, d'un point de vue biologique fondamental, l'interaction entre l'aérotaxie et la magnétotaxie reste floue et j'ai développé, au cours de ma thèse, plusieurs outils originaux pour aborder cette question. Tout d'abord, j'ai construit une puce microfluidique « contrôlée en O_2 » afin de créer l'environnement oxygéné souhaité pour les expériences d'aérotaxie. À l'aide de cette puce microfluidique, j'ai ensuite fourni des preuves directes d'un changement de comportement à une concentration spécifique de niche faible en oxygène, C*. Afin d'expliquer les différentes réponses à l'oxygène dans diverses expériences, j'ai développé un modèle macroscopique permettant de prédire la distribution de l'oxygène et des bactéries dans le canal. L'aérotaxie est basée sur une formulation de Keller-Segel caractérisée par un changement de signe explicite à la concentration d'oxygène de la niche. Les solutions numériques et analytiques du modèle se sont avérées correspondre quantitativement aux positions des bandes observées dans différentes situations expérimentales. Cependant, une comparaison détaillée avec la distribution bactérienne dans la cellule a révélé des singularités dans la réponse aérotactique, en particulier autour de la région anoxique. Le modèle était également capable de prédire des instabilités transversales, comme le prouvent expérimentalement les bandes elliptiques ou les réseaux de gouttelettes. Cette configuration a également permis à des expériences originales de révéler les subtilités des réponses combinées magnétotactiques et aérotactiques. Pour étudier les réponses de bactéries individuelles dans différents environnements oxygénés et magnétiques, j'ai développé un nouveau dispositif de suivi lagrangien 3D basé sur l'IA. Ce dispositif permet de suivre des objets sous un éclairage en champ clair pendant de longues périodes (plusieurs centaines de secondes). J'ai également amélioré le microscope en ajoutant des bobines de Helmholtz afin de créer un champ magnétique homogène. Grâce à ce dispositif, j'ai pu évaluer la distribution des moments magnétiques dans une population et mesurer les coefficients de diffusion du MSR-1 avec et sans magnétosomes. J'ai constaté que les caractéristiques cinématiques des deux populations étaient assez similaires et qu'elles présentaient toutes deux une large distribution des temps de persistance balistique. Cet outil a également permis de caractériser statistiquement les trajectoires de déplacement et de recul sous un champ magnétique et d'obtenir des signatures phénotypiques associées à la réponse magnétotactique en tant que « North Seeker » (NS) ou « South Seeker » (SS). Les vitesses dans la direction dominante et subdominante ont été trouvées dans un rapport de 2/3 et, de plus, j’ai pu évaluer la distribution des temps de persistance balistique dans les directions dominante et subdominante. Pour toutes les valeurs des paramètres qui caractérisent l'intensité de polarisation pour les phénotypes NS ou SS, ces distributions présentaient une très longue queue proche de l'exposant critique -2. Il s'agit là de la signature d'un processus statistique anormal, probablement codé dans une dynamique interne d'origine biologique avec une mémoire à long terme.