automates cellulaires pour la modelisation multi-echelle

N° d’ordre : D.U :
EDSPIC :
UNIVERSITE CLERMONT FERRAND II – BLAISE PASCAL
ECOLE DOCTORALE SCIENCES POUR L’INGENIEUR
Thèse de Doctorat, Spécialité Informatique
Présentée par
Benjamin Louvet
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR D’UNIVERSITE, SPECIALITE INFORMATIQUE
AUTOMATES CELLULAIRES POUR LA
MODELISATION MULTI-ECHELLE DES
SYSTEMES BIOLOGIQUES
M. George Czaplicki Professeur des Universités Rapporteur
M. Laurent Deroussi Maître de Conférences Co-directeur de Thèse
M. Michel Gourgand Professeur des Université Directeur de Thèse
M. Samir Lamouri Professeur des Universités Examinateur
M. David Sarramia Maître de Conférences Co-directeur de Thèse
M. Patrick Siarry Professeur des Universités Rapporteur

AUTOMATES CELLULAIRES POUR LA MODELISATION
MULTI-ECHELLE DES SYSTEMES BIOLOGIQUES
RESUME ET MOTS CLES
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RESUME ET MOTS CLES
RESUME
Ce projet de thèse, dans le cadre d’une collaboration entre le LIMOS et le LPC, s’inscrit dans
une démarche de recherche permettant la mise en synergie des domaines de la biologie, de
la physique et de l’informatique par la proposition d’une démarche de simulation permettant
la réalisation d’expériences in silico .
Pour cela, nous nous proposons de développer une plateforme logicielle dédiée à la
modélisation multiéchelle des systèmes biologiques qui pourra par la suite être interfacée
avec les outils de simulation de physique des particules. Nous proposons également un
modèle individu-centré de cellule biologique paramétrable à l’aide de données obtenues
d’expériences in vitro .
Nous présentons l’élaboration de cette plateforme et une démarche de validation de ses
fonctionnalités à travers l’implémentation de modèles d’automates cellulaires de la
littérature. Nous présentons ensuite la construction du modèle de cellule biologique en
prenant le temps d’expliquer comment est pris en compte le système biologique, comment
nous le modélisons puis comment nous paramétrons le modèle. Nous modélisons les
processus internes de la cellule, dont les caractéristiques sont liées à l’information génétique
qu’elle porte. Ce modèle de cellule permet de reproduire le comportement d’une cellule
isolée, et à partir de là, d’un ensemble de cellules via l'automate. Le modèle est ensuite utilisé
pour retrouver les courbes de croissance d'une population de bactéries Escherichia coli. Des
valeurs de données de fluxomique ont été exploitées et ont permis la reproduction in silico
des expériences in vitro dont elles étaient issues.
MOTS CLES
Automates cellulaires ; Modélisation ; Multi-échelle ; Système biologique ; Cellule ; Cinétique
de croissance cellulaire ; Escherichia coli ; In silico ;

ABSTRACT AND KEYWORDS
AUTOMATES CELLULAIRES POUR LA MODELISATION
MULTI-ECHELLE DES SYSTEMES BIOLOGIQUES
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ABSTRACT AND KEYWORDS
ABSTRACT
This PhD thesis project is part of a research program in the fields of biology, physics and
computer science aiming to propose a simulation approach for performing experiments in
silico .
For this, we propose to develop a software platform dedicated to multi-scale modeling of
biological systems that can be combined with particle physics simulation tools. We also
propose a general individual-based model of biological cell in which data obtained from in
vitro experiments can be used.
We present the development of this platform and the validation process of its functionalities
through the implementation of cellular automata from the literature. We then present the
design of the biological cell model by giving the hypothesis we made, how we model and
how we parameterize the model. Starting from a simple biological system, bacteria, observed
in liquid culture, our model uses a multi-scale middle-out approach. We focus on the cell and
we model internal processes, assuming that all their properties come from genetic
information carried out by the cell’s genome. This model allows to consider the cell behavior,
and then to obtain the behavior of a cell population. Data from fluxomic experiments have
been used in this model to parameterize the biochemical processes. The results we obtain
allow us to consider the model as validated as simulation results match the experimental
data.
KEYWORDS
Cellular automata ; Modeling ; Multi-scale ; Biological system ; Cell ; Cell growth kinetic ;
Escherichia coli ; In silico

AUTOMATES CELLULAIRES POUR LA MODELISATION
MULTI-ECHELLE DES SYSTEMES BIOLOGIQUES
UNITES D’ACCUEIL
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UNITES D’ACCUEIL
LIMOS
Laboratoire d’Informatique, de Modélisation et
d’Optimisation des Systèmes, LIMOS
UMR 6158
Université Blaise Pascal,
Complexe Scientifique des Cézeaux
63173 Aubière Cedex
LPC
Laboratoire de Physique Corpusculaire, LPC
UMR 6533
Université Blaise Pascal,
Campus des Cézeaux, Bâtiment 7
Avenue Blaise Pascal
BP 80026
63171 Aubière Cedex
IUT D’ALLIER, SITE MONTLUÇONNAIS
IUT d’Allier, site Montluçon
Université Blaise Pascal
Avenue Aristide Briand
CS 82235
03101 Montluçon Cedex