Proposition de stage en bioinformatique et biostatistique à l'Unité Hydrosystèmes et Bioprocédés à Irstea-Antony (92) : Croissance microbienne et lutte pour l'entropie : prolonger une intuition de Boltzmann Les microbes sont les êtres vivants les plus abondants sur terre (Whitman et al 1998) et le principal moteur biogéochimique de la biosphère (Falkowski et al 2008). Etre capable de comprendre et de modéliser la dynamique et la structuration des communautés microbiennes revêt donc une importance capitale, tant pour l'étude des cycles biogéochimiques que pour le développement d'applications de biotechnologie microbienne. Nous avons récemment posé les bases d'une théorie thermodynamique de la croissance microbienne, en montrant comment des systèmes constitués de microbes au contact de molécules de substrats pouvaient être assimilés à des ensembles décrits par les lois de la physique statistique (Desmond-Le Quéméner and Bouchez, The ISME Journal, 2014, 8, 1747-1751). Cette théorie permet de proposer des modèles de dynamiques microbiennes dotés de capacités prédictives étendues, dont le développement et l'analyse font l'objet d'un projet ANR en cours de démarrage (ANR-THERMOMIC, 2016-2020). Nos travaux théoriques actuels et des éléments de bibliographie suggèrent que la variation d'entropie des réactions métaboliques pourrait constituer une grandeur clé déterminant la dynamique de croissance microbienne, faisant écho à une intuition originelle du grand physicien Ludwig Boltzmann. Celui-ci avait en effet déclaré dès 1875 que la lutte pour l'existence des êtres vivants n'était pas une lutte pour l'énergie ou les ressources matérielles, mais bien une lutte pour l'entropie. L'objectif du stage est de faire écho à cette intuition en apportant des éléments factuels visant à caractériser les relations entre variation d'entropie des réactions métaboliques et vitesse de croissance maximale pour des cultures microbiennes. Pour cela, des expériences de culture microbienne seront réalisées au sein d'un calorimètre, qui permet une mesure précise de la chaleur associée à la réaction de croissance. Ces expériences seront réalisées dans des cellules calorimétriques fermées, en conditions isothermes et isobares, afin de permettre la déduction de l'entropie échangée par le système à partir d'une mesure du flux de chaleur. 3 souches microbiennes modèles (Escherichia coli, Bacillus subtilis, Pseudomonas sp.) seront cultivées dans un milieu minimum. Les densités microbiennes initiales et finales ainsi que la composition finale du milieu de culture seront mesurées à l'aide des méthodes analytiques disponibles au laboratoire, permettant ainsi le calcul du bilan thermodynamique de la croissance et de la variation d'entropie totale. Les flux de chaleur issus de la croissance seront mesurés dans le calorimètre. Un modèle thermodynamique de croissance sera calé à partir des données expérimentales afin d'évaluer le taux de croissance maximal en fonction de la variation d'entropie de la réaction de croissance. Ces expériences seront ensuite répliquées à plusieurs températures afin de documenter pour la première fois la relation entre variation d'entropie et vitesse de croissance maximale pour des cultures microbiennes. Ces données seront présentés dans un livrable du projet ANR THERMOMIC et serviront à confirmer/infirmer les hypothèses d'un travail théorique en cours. Etudiant en Master 2, vous disposez (i) soit d'une formation initiale en physique et êtes attirés par la biologie, (ii) ou vous avez suivi un parcours en biologie tout en ayant démontré un goût et des aptitudes pour les sciences physiques au cours de votre cursus. Rigoureux, autonome, doté d'esprit d'analyse et de sens critique, votre travail combinera réflexion conceptuelle, manipulation de modèles et réalisation d'expérimentation au laboratoire. Attiré par la recherche et les approches pluridisciplinaires, vous serez intégré au sein de l'équipe de recherche BIOMIC à Irstea-Antony (http://www.irstea.fr/la-recherche/unites-de-recherche/hban/biomic). Une poursuite en thèse à l'issue du stage de M2 est possible (financement ANR). Mots-clefs : croissance microbienne, thermodynamique microbienne, entropie. Durée du stage : 6 mois Indemnité de stage : 554.40 €/mois et remboursement de 50% des frais de transport domicile-travail. Contact pour plus d’informations : Théodore BOUCHEZ, Ariane Bize, Unité HBAN. [email protected], [email protected], Irstea-Antony, 1 rue Pierre-Gilles de Gennes CS10030, Bâtiment LAVOISIER 92761 Antony cedex