L`équipe matériaux magnétiques

Ecole Centrale de Lyon - INSA de Lyon – Université Claude Bernard Lyon 1
Laboratoire Ampère
Unité Mixte de Recherche du CNRS - UMR 5005
Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
Emploi des microsystèmes magnétiques
pour la génomique de cellules uniques
Laboratoire : Ampère, UMR CNRS 5005
Domaine scientifique principal : Energie, Bio-ingéniérie
Domaine scientifique secondaire :
Mots clés (5 max) : Transfert horizontal de gènes, Micro-fluidique.
Directeurs de thèse
Pascal Simonet – pascal.simon[email protected] (HDR)
Robin Marie – [e-mail]
Naoufel Haddour – naou[email protected]
Départements concernés
- Énergie Electrique, Bio-Ingéniérie
Groupes concernés
- Bioélectromagnétisme et Microsystèmes, Génomique Microbienne Environnementale
Collaboration(s)/partenariat(s) extérieurs
Contexte Scientifique (5 lignes max)
Le séquençage de très nombreux génomes bactériens a permis de révéler le rôle fondamental du transfert
horizontal de gènes pour l’adaptation bactérienne et l’évolution des génomes. Afin d’explorer les mécanismes
et les interactions entre les bactéries impliquées (dont 95% sont non cultivables), les deux groupes du
département Bioingénierie développent conjointement une nouvelle technologie qui vise à isoler
sélectivement ces bactéries.
Objectif de la thèse, verrous scientifiques et contribution originale attendue (1 page max)
Le transfert horizontal de gènes entre cellules de même génération joue un rôle fondamental pour
l’adaptation bactérienne et l’évolution des génomes. Le laboratoire Ampère est fortement impliqué depuis
longtemps dans l’étude de la diversité biologique. Un grand verrou scientifique est que la plupart des bactéries
que l’on peut trouver dans l’environnement ne sont pas cultivables : afin de puiser dans l’immense réservoir
de biodiversité que représentent les organismes unicellulaires, il est donc indispensable de disposer d’outils
permettant de suivre in situ ces transfert.
Des travaux sur une technique de marquages basée sur la fluorescence ont déjà été menés au sein du
laboratoire (FISH – thèse de Nathalie Lombard). Cependant, ce type de marquage présente plusieurs
inconvénients (fluorescence naturelle de certaines bactéries, difficulté de « récupérer » les bactéries
marquées…). Pour surmonter ces difficultés, une technologie originale basée sur un marquage magnétique des
bactéries est actuellement développée, avec le soutien de l’ANR (projet « Emergent » débuté en novembre
2009), ainsi que de la région (qui a notamment financé la thèse de Jérémy Pivetal, dont la soutenance est
prévue fin 2012). La méthodologie développée consiste à greffer des nanoparticules magnétiques sur des
fragments d’ADN avant introduction dans les bactéries par électroporation ou par transformation chimique.
L’isolement des cellules transformées peut ainsi être réalisé à l’aide d’un réseau de microaimants attirant
uniquement les bactéries ayant incorporé l’ADN marqué magnétiquement. Dans le cadre de la thèse de J.
Pivetal, une technique efficace de greffage des nanoparticules sur l’ADN a été mise au point. En application de
cette technique, une nouvelle méthode d’évaluation de la biodiversité a été proposée. Elle repose sur

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Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie environnementale
et Applications
l’hybridation in-situ d’une sonde d’ADN ou d’ARN marquée magnétiquement dont la séquence est
complémentaire de celle que l’on cherche à identifier et à localiser dans les bactéries : il s’agit d’une
transposition magnétique de la technique FISH basée sur l’utilisation de marqueurs fluorescents, permettant
de détecter parmi un grand nombre de bactéries celles qui contiennent le fragment d'ADN recherché. Dans les
premiers tests réalisés, les bactéries ciblées ont ainsi pu être attirées de façon individuelle sur des îlots
magnétiques en NdFeB (microaimants fabriqués à l’Institut Néel). L’intégration réussie des microaimants dans
des canaux microfluidiques permet d’hors et déjà l’élution des bactéries non ciblées.
Au vu de ces résultats encourageants, il est désormais indispensable de permettre la récupération
individuelle des bactéries, dans le but de séquencer leur génome. Ceci nécessite de surmonter plusieurs
verrous scientifiques et techniques, et notamment : 1) l’adaptation des microsystèmes et des aimants
développés pour piéger les bactéries de manière isolée, ainsi que pour la successive manipulation individuelle,
2) la récupération des bactéries confinés dans les pièges magnétiques : plusieurs techniques sont
envisageables, et principalement l’emploi d’un système de pince optique (en cours d’achat) ou l’utilisation de
particules magnétiques avec un fable point de Curie (élution par échauffement). A noter que ces matériaux
nouveaux sont actuellement étudiés au sein du département « Energie électrique » du laboratoire (thèse de
Oualid Messal) : ce projet pourrait donc donner lieu à une synergie nouvelle entre ces deux départements.
En conclusion, ce projet porte sur le développement et application d'une méthode performante de
génomique sur cellules procaryotiques isolées pour le décryptage de la biodiversité microbienne
environnementale, avec des applications dans le milieu médical pour le diagnostic. Ce sujet proposé s’inscrit
dans la continuité de la thèse de Jérémy Pivetal. Nous prévoyons par ailleurs de soumettre à l’ANR un nouveau
projet s’inscrivant dans la continuité d’ « Emergent».
Programme de recherche et démarche scientifique proposée (1/2 page max)
Le programme de recherche proposé est le suivant
1. Bibliographie et acquisition des compétences. Caractérisation des différentes sondes
oligonucléotidiques pour l'hybridation in situ des procaryotes à des niveaux taxonomiques de la
classe à l'espèce. Vérification du niveau de sensibilité et de spécificité de ces différentes sondes.
2. Conception des aimants et du système microfluidique (simulation), fabrication des dispositifs.
3. Mise en œuvre du système de récupération individuel des cellules (pince optique, micro-pipettes…).
4. Application de la technique de marquage cellulaire par hybridation avec les sondes marquées par des
nanoparticules magnétiques aux écosystèmes environnementaux. Validation de l'outil par
identification taxonomique des cellules isolées (PCR-séquençage).
Profil du candidat recherché (prérequis) : le sujet étant multidisciplinaire, le candidat devra avoir une
formation forte en microbiologie et une grande capacité à s’adapter et s’approprier de concepts de disciplines
différentes.
Compétences développées au cours de la thèse et perspective professionnelle (5 lignes max)
 Connaissance de base de microbiologie.
 Conception et simulation de systèmes électromagnétiques.
 Réalisation technologique de microsystèmes, travail en salle blanche, micromanipulation.
Demande de cofinancement Labex IDEX : Oui / non (rayer mention inutile)
Il faut pour cela que le projet soit pluridisciplinaire et rentre dans les domaines de iMUST
D3: Complex fluids, flows and interfaces: a “multiscale fluid laboratory”