Théodore BOUCHEZ Ariane BIZE

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