Dynamique biologique et physique de croissance de colonies microbiennes : étude de Saccharomyces cerevisiae couplant expérimentation et modélisation spatio-temporelle

Contrairement aux cultures suspendues, le développement de microorganismes sur un support solide implique une hétérogénéité spatiale et temporelle des conditions de croissance. Ce projet de thèse vise une meilleure connaissance de ces assemblages biologiques par une approche mêlant expérience et modélisation, dans le cadre de l'étude de colonies de la levure Saccharomyces cerevisiae. La caractérisation expérimentale, innovante, repose sur la tomographie à cohérence optique (OCT). En parallèle, un jumeau numérique capable de reproduire les observations émergentes a été calibré et validé.L'OCT a permis le suivi non-destructif de colonies de cellules pendant deux semaines pour différentes combinaisons de conditions de croissance : concentration en nutriments, épaisseur du support solide contenant le milieu de culture, présence ou non d'oxygène. Nos résultats expérimentaux confirment le rôle de la diffusion des nutriments à travers la colonie et le support solide, qui explique à la fois l'infléchissement de l'accroissement radial, initialement linéaire, lorsque l'on prolonge la culture, ainsi que le caractère asymptotique de la croissance verticale, en particulier pour de faibles épaisseurs du support. La croissance de volume qui en résulte se décompose entre une première phase de croissance exponentielle, et une seconde phase de croissance plus lente, pour laquelle notre suivi expérimental permet d'avancer une loi empirique simple.Le modèle spatio-temporel de la croissance de colonies mis en place repose sur une formulation hybride. Il utilise une approche continue des champs de concentration couplée à une représentation discrète des cellules microbiennes. Cet outil s'appuie sur un modèle biologique préexistant, établi pour des cultures suspendues de Saccharomyces cerevisiae. Deux schémas de relaxation, totale et partielle, ont été comparés pour prédire la colonisation spatiale. En relaxation partielle, un unique paramètre guide l'expansion de la colonie avec un impact sur la croissance cellulaire. Un outil numérique de simulation a été développé en Python, en 2 et 3 dimensions. La résolution numérique des champs de concentrations a été réalisée par la méthode de volumes finis.Le modèle fait apparaître une diversification des comportements métaboliques au sein de la colonie, liée à l'hétérogénéité des conditions de croissance. La réserve initiale de nutriments et leur diffusion expliquent l'effet des conditions expérimentales sur la dynamique de la colonie, que le modèle parvient à reproduire avec une bonne précision (écart relatif moyen de l'ordre de 20 % pour le volume). Le modèle met également en évidence que les lois simples de croissance observée à l'échelle macroscopique résultent en fait de l'émergence de phénomènes physiques et biologiques couplés, pour lesquels les contraintes mécaniques jouent un rôle déterminant. La surpression au coeur de la colonie inhibe la croissance des cellules, menant à un accroissement radial linéaire. En parallèle, l'encombrement pénalise la diffusion du glucose vers les couches supérieures de la colonie, ce qui ralentit la croissance verticale.L'écart entre simulation et expérimentation observé à basse concentration suggère une méconnaissance de l'activité métabolique lorsque les cellules utilisent des sources de carbone complexes. La capacité à isoler expérimentalement les voies métaboliques accessibles émerge comme un bon moyen de tester le modèle biologique.