Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Microorganismes – Modèles mathématiques“

Les études entreprises depuis 1982 sur un petit cours d'eau pollué par une forte charge organique, ont servi de base au développement d'un modèle mathématique destiné à appréhender le fonctionnement des mécanismes d'auto-épuration. L'écriture du modèle a débuté par la description de l'écoulement du cours d'eau et des mécanismes de transports associés. Deux sous-modèles ont été utilisés dans ce but : un sous-modèle hydrodynamique dérivé du modèle de Saint-Venant et un sous-modèle de transport, constitué par l'équation classique de convection-dispersion. Ces deux sous-modèles sont appliqués à un écoulement monodimensionnel, non uniforme et non stationnaire. Dans les petits cours d'eau le compartiment benthique joue un rôle prépondérant du point de vue de l'ensemble des processus détritiques. Le modèle a donc été appliqué, dans un premier temps, à la simulation de la dynamique du carbone organique dissous et des microorganismes benthiques. Les mécanismes de biodégradation sont modélisés, ici, en utilisant l'analogie entre les processus détritiques et l'activité des biomasses des procédés de traitement des eaux usées. Le modèle de biofilm développé permet, par sa structure, d'englober tous les mécanismes physiques et biologiques qui entrent dans les phénomènes de disparition et de dégradation de la matière organique dissoute. Ce modèle est utilisé, sous sa forme actuelle, en tant qu'outil cognitif destiné à accroître la connaissance des mécanismes d'auto-épuration de la matière organique dissoute dans les petits cours d'eau.

Ce numéro hors-série est consacré aux travaux sur les maladies à prions des animaux de ferme, menés à l’Inra en collaboration avec de nombreux organismes nationaux et internationaux. Il aborde de nombreuses facettes de la recherche sur ces agents et les maladies qu’ils occasionnent, tant sur le modèle tremblante que sur l’Encéphalopathie Spongiforme Bovine (ESB) : biologie de l’agent pathogène et notion de souche de prion, pathogénie de la maladie et résistance génétique, voies de transmission et évolution dans les populations animales, lutte contre les EST. Le premier article présente l’ensemble des outils mis au point à l’Inra pour étudier les EST (laboratoire de génotypage à grande échelle) ainsi que les dispositifs expérimentaux qui y sont dédiés (domaine expérimental atteint de tremblante naturelle et différentes animaleries protégées). Ensuite, la notion de souche de prion est introduite, discutée, et les divers travaux en cours pour différencier les souches de prions sur une base biologique et biochimique sont présentés, de même que les études menées pour comprendre le déterminisme de cette diversité. Ces travaux ont aussi pour objectif l’amélioration des méthodes actuelles de typage en termes de rapidité et de fiabilité, notamment à travers le développement de souris transgéniques. Deux articles traitent des mécanismes par lesquels la protéine prion pathogène est introduite dans l’organisme, puis la façon dont elle diffuse dans les différents tissus et organes et exerce son pouvoir pathogène. L’un concerne la pathogénie de la tremblante, à partir des travaux entrepris sur le mouton : dans quels tissus diffuse la protéine prion pathogène, dans quels types de cellules et à quelle vitesse, et comment intervient le génotype de l’individu dans ce processus. L’autre porte sur les modèles cellulaires mis au point récemment, qui permettent la multiplication du prion ovin et servent à étudier les interactions entre la protéine prion pathogène et différents types de cellules de l’organisme, les gènes activés en cas d’infection, le rôle du polymorphisme de la protéine prion ovine dans la réplication du prion pathogène et l’identification de molécules ayant une activité antiprion. Les propriétés et le rôle physiologique de la protéine prion normale, ainsi que les raisons pour lesquelles la protéine prion normale est transformée en protéine prion pathogène, sont ensuite abordés à travers plusieurs études : approche physicochimique et structurale de la structure de la protéine prion, pour analyser les domaines de la protéine prion qui pourraient avoir un rôle clé dans la transconformation de la protéine normale en protéine pathogène, et pour comprendre la relation entre le polymorphisme génétique de cette protéine et l’état de résistance ou de sensibilité à la tremblante ; approche immunochimique grâce à des anticorps monoclonaux ayant des affinités particulières pour certaines régions de la protéine prion PrP, qui permettent l’étude de la capacité de la protéine normale à être convertie en protéine pathogène et le typage moléculaire des souches de prions ; analyse des voies de sécrétion et du rôle physiologique de la protéine prion cellulaire. L’influence du polymorphisme au locus Prnp sur la sensibilité des animaux aux EST est documentée, ainsi que les travaux en cours pour mettre en évidence d’autres gènes influençant la sensibilité des animaux aux EST, à partir de la cartographie du génome. Concernant l’épidémiologie des EST, un article présente les travaux sur les sources d’infection, les voies de transmission et la dynamique de la maladie dans les populations animales, en matière de tremblante et d’ESB. Les résultats relèvent d’expérimentations, d’études de terrain et de modélisation mathématique. Enfin, plusieurs articles sont consacrés à la lutte contre les EST, abordant plusieurs volets : développement de tests pour le diagnostic avant la mort et la distinction entre souches d’EST, travaux conduits depuis dix ans pour maîtriser voire éradiquer la tremblante dans la population ovine en jouant sur la résistance génétique des ovins aux EST, étude clinique conduite sur une molécule à visée thérapeutique et discussion sur la méthode de choix des molécules à expérimenter, pistes pour la destruction des farines animales à risque, grâce à l’utilisation de microorganismes ou la fabrication de biolubrifiants, additifs biocarburants et matériaux polymères.

Le contexte experimental et les hypotheses biologiques sous-jacentes du modele de croissance monod sont presentees. L'importance de ce modele, ses principaux champs d'application, la variabilite de la valeur de ses parametres, ainsi que la dynamique de la croissance de son impact sont exposes. Ce modele etait suppose se justifier de facon analogue au modele de michaelis et menten, mais cette approche souleve plusieurs difficultes. Nous montrons comment le modele de monod peut etre obtenu a partir du modele de croissance logistique, avec pour corollaire la prediction inattendue d'une augmentation apparente de la valeur du parametre ks avec le parametre mumax. Une reexamination des resultats publies montre que cette tendance est observee. Il est cependant difficile de savoir si ces resultats sont reellement probants. Pour rester l'hypothese de l'augmentation de la valeur du parametre ks avec le parametre mumax, nous avons estimes ces deux parametres pour escherichia coli k12 cip 54117 cultive dans deux milieux de culture pour modifier la valeur du parametre mumax. Les resultats experimentaux ne semblent pas etre en contradiction avec la prediction faite. Le parametre ks ne devrait plus etre considere comme une constante physiologique, et le rapport de healey mumax/ks lui etre prefere pour caracteriser l'affinite des micro-organismes pour un substrat limitant. L'energie de maintenance d'une population de micro-organismes peut etre determinee avec une relation developpee par monod. Les conditions de son utilisation pour caracteriser l'effet des antibiotiques sur la croissance sont precisees. Une augmentation exponentielle de l'energie de maintenance avec la concentration en antibiotique est frequemment observee

Ce travail concerne l'étude, en canal de laboratoire, des interactions " hydrodynamique-périphyton ". La communauté périphytique a un intérêt majeur en hydro-écologie car elle constitue une source de nourriture pour les invertébrés et les poissons et aussi parce qu'elle joue un rôle très important dans la transformation et l'élimination de la matière organique dans les cours d'eau. Mais, le périphyton est un élément qui fait évoluer, au gré des conditions environnementales, la rugosité des substrats qu'il colonise. Sa quantité et sa composition sont donc, par contrecoup, des facteurs non négligeables dans l'évolution des caractéristiques hydrodynamiques des écoulements concernés. L'objectif essentiel de l'étude porte sur la caractérisation et la paramétrisation de cette " biorugosité ", pour la mise au point d'un modèle plus fiable de dynamique de croissance des biofilms. Pour cela, nous nous sommes appuyés sur l'analyse de l'écoulement dans la zone près du substrat afin d'identifier les conditions hydrodynamiques favorables à l'ancrage du biofilm et de mettre en évidence les paramètres physiques explicatifs de sa dynamique de croissance.

La contamination des nappes par le nitrate (NO3-), ainsi que les émissions de gaz à effet de serre tels que le dioxyde de carbone (CO2) et l'oxyde nitreux (N2O) sont des problèmes environnementaux et agronomiques cruciaux pour un développement durable. L'objectif de ce travail était de caractériser durant 7 mois la dynamique des éléments carbone et azote couplée aux activités microbiennes dans la zone non saturée du sol et de souligner, entre autre, l'intérêt de ne pas négliger les processus biologiques existants dans la zone non saturée profonde. Pour cela, un profil de sol situé dans une parcelle agricole du Comtat Venaissin (Velleron, 84) a été étudié. La zone non saturée du sol (environ 2. 50 m d'épaisseur) a été instrumentée pour le suivi des flux hydrique, de gaz, de chaleur et de soluté durant la période inter-culturale, après récolte du mai͏̈s et enfouissement des résidus (fin octobre 2001) jusqu'au semis suivant (début mai 2002). Des analyses microbiologiques ont permis d'une part de suivre les activités respiratoire aérobie et dénitrifiante potentielles, et d'autre part de dénombrer les bactéries hétérotrophes et dénitrifiantes. Les résultats ont souligné la forte dépendance des activités microbiennes aux facteurs environnementaux tels que les précipitations, la température du sol, la teneur en NO3-, et la qualité du carbone organique dissous (COD). Dans la zone non saturée profonde, la teneur en NO3- a été le facteur limitant de l'activité dénitrifiante, et la qualité du COD était en partie responsable des variations saisonnières de l'activité respiratoire aérobie. La modélisation avec le modèle PASTIS des processus biogéochimiques qui se sont produits lors de l'expérimentation a permis de simuler de façon satisfaisante les différents mécanismes. L'ajout d'un module de transport des gaz basé sur la loi de gaz poussières a permis d'estimer correctement les concentrations de CO2 et de N2O dans le sol. La modélisation a souligné l'importance de prendre en compte les activités microbiennes non négligeables dans la zone non saturée profonde. La comparaison modèle-expérience suggère de regarder les points suivants : (1) prendre en compte l'analyse structurale du sol et travailler à l'échelle de l'agrégat, (2) étudier l'effet du gel du sol sur le devenir de la biomasse zymogène, et (3) prendre en compte l'activité enzymatique, dont celle de la N2O réductase. Ces différents points sont primordiaux dans le but d'améliorer les prédictions des quantités de C et N pouvant atteindre la nappe
Nitrate (NO3-) groundwater contamination, in addition to greenhouse gases emissions such as carbon dioxide (CO2) and nitrous oxide (N2O) are crucial environmental and agronomic problems. The goal of this work was to characterize during a 7-months period C and N dynamics coupled to microbial activities in the vadose zone, emphasizing notably the interest in taking into account the existing biological processes in the deep vadose zone. Thus, a soil profile situated in an arable field in the Comtat Venaissin (Velleron, 84) was studied. The vadose zone (almost 2. 5 m thick) was equipped for water, heat, solute and gas fluxes measurements, during an inter-cropping period, from corn harvesting and tillage with incorporation of maize residues (end of October 2001), to the next sowing (beginning of May 2002). Microbial analysis were performed in order to follow (1) the aerobic respiratory and denitrifying potential activities, and (2) heterotrophic and denitrifying micro-organisms. Results showed the strong environmental factors influence (rainfall, soil temperature, NO3- content, and dissolved organic carbon (DOC) quality) on microbial activities. In the deep vadose zone, the NO3- content was a limiting factor for the denitrifying activity, and the DOC quality was in part responsible of the aerobic respiratory activity seasonal variations. The biogeochemical processes, which occurred during the field experiment, were satisfactorily simulated by the PASTIS model. The addition of a new module for gas transport using the dusty gas theory allowed us to estimate correctly CO2 and N2O concentrations in the soil. The comparison model-experiment suggests to study the following elements: (1) to take into account the soil structure and to work at the aggregate scale, (2) to study the soil freezing effect on zymogenous biomass behaviour, and (3) to take into account the enzymatic activity, notably the N2O reductase enzymatic activity. These elements are really important in order to perform C and N amounts reaching the groundwater

Ce travail présente une contribution à la modélisation et à l'identification d'un processus biologique complexe à l'évolution mal connue. Le processus considéré est l'apparition et le développement des micro-organismes marins toxiques Dionophysis acuminata, ce qui implique d'importantes conséquences économiques et sanitaires. Un premier modèle du type "boîte noire" est construit à partir de l'exploitation de données physiques, chimiques et biologiques prélevées périodiquement sur site. Ce modèle nous a permis de mettre en évidence les principaux facteurs influençant le phénomène et permettra, à l'avenir, de prédire l'évolution du processus et de détecter une prolifération trop importante de ces micro-organismes. En se basant sur la modélisation des mécanismes physiques, chimiques et biologiques élémentaires des principaux facteurs nous avons construit un second modèle dit "de connaissance" afin d'améliorer la compréhension du processus. Ce travail apporte une contribution très importante au projet de réalisation d'un système automatique de prévision des phénomènes d'eaux colorées sur le site d'Antifer.

La production de lysine chez les bactéries du genre Corynebacterium peut être réalisée par une dérégulation de la voie de synthèse de cette acide aminé, obtenue soit par des mutations de régulation, soit par des mutations d'auxotrophie. Ainsi, la souche Corynebacterium glutamicum MG productrice de lysine, utilisée dans ce travail, porte deux mutations d'auxotrophie, pour l'homosérine et pour la leucine. L'étude des caractéristiques de la réversion montre que la souche est sujette à la réversion pour les deux mutations d'auxotrophie et que les profils d'accumulation des révertants sur milieux sélectifs sont spécifiques. Ces reversions se caractérisent par leur caractère adaptatif et par l'hétérogénéité des révertants obtenus. Une étude en culture en batch montre qu'en condition de production de lysine, obtenue par une restriction de croissance, les révertants non-producteurs sont favorisés et peuvent se développer pour finalement s'imposer comme population majoritaire dans le fermenteur. Ce développement s'effectue par croissance, après apparition des révertants par mutation. Deux types de dégénérescences de la production de lysine sont observés : une dégénérescence physiologique liée à la baisse de l'activité métabolique des auxotrophes et une dégénérescence génétique liée au développement des populations révertantes. Une étude en culture en continu limitée en thréonine s'appuyant sur l'utilisation d'un modèle mathématique montre que la production de lysine ne peut être maintenue de manière prolongée dans ce système. La perte de la capacité de production de lysine est liée à un passage d'une limitation de croissance en thréonine à une limitation de croissance en leucine du fait de la consommation de leucine par les révertants. Il est donc important dans une optique d'optimisation de la production de maintenir les populations révertantes à un niveau faible dans le fermenteur, ce qui pourra être obtenu par le contrôle des conditions de culture et notamment le rapport thréonine/leucine et le taux de dilution.

Une étude expérimentale de la croissance de la bactérie pourpre non sulfureuse Rhodospirillum rubrum en mode continu dans un photobioréacteur cylindrique radialement éclairé fonctionnant en photohétérotrophie a été réalisée afin de comprendre sa réponse métabolique en condition de limitation par la lumière. Un ensemble de données cinétiques et stoechiométriques ont été recueillies. Une étude du métabolisme de R. Rubrum par une approche flux métabolique a été ensuite réalisée afin de comprendre à l'échelle cellulaire le couplage entre la lumière et les cinétiques de croissance. Ceci a permis de mettre en évidence les caractéristiques métaboliques de cette bactérie, d'établir une stoechiométrie globale et d'estimer le rendement quantique moyen pour la synthèse d'une mole de biomasse. Enfin, les informations obtenues ont permis d'obtenir un modèle de connaissance pour la croissance de cette bactérie. Ce modèle a été validé en simulation pour différentes conditions opératoires

L'objectif de cette étude est le développement d'un outil mathématique permettant de décrire la dynamique de croissance et de production de métabolites secondaires par une bactérie filamenteuse. Avec le support biologique retenu, le modèle devrait décrire la production d'un antibiotique associée à la description du métabolisme central du microorganisme. Dans ce cas de figure, la voie de production correspond à un flux de matière minoritaire par rapport au flux de carbone total mais fait intervenir plusieurs précurseurs issus de voies très différentes du métabolisme central. La finalité est de construire un modèle pouvant d'une part, à partir de mesures acquises en ligne sur les procédés de production, identifier et quantifier les différentes phases de culture (croissance, maturation, production) et, d'autre part, apporter une aide à la compréhension déductive des évènements intervenant lors du screening à haut débit sur des microorganismes surproducteurs
The aim of this study is the development of a mathematical model which can describe a microorganism growth dynamic as well as its secondary metabolites productions. Eventually, this model might :identify and quantify the various steps of the fermentation (growth, macromolecular change, production) from on-line measurments during the process. Help to understand the behavior of overproducing strains by means of simulation. The analysis of a metabolic network which includes the central and secondary metabolism pathways led to a structure able to describe the growth dynamic with on-line measurements only. However it appeared impossible to predict the antibiotic production using the latter so the stoichiometric model has to be coupled to a phenomenological model the structure of which has to be defined experimentaly. The experimental study involved :the design of a chemically defined culture medium. The characterization of kinetic parameters during various nutrient limitations (nitrogen, carbon). The study of the effect of minimal glycolytic flux and anabolic activity on the antibiotic production. The identification of intracellular reserves formation and a correlation between their catabolism and the production. In the range of its metabolic limits defined experimentaly, the model was developed to describe the formation of intracellular polymers and coupled to a simple phenomenological model to describe the spiramycin production kinetic. Replacing symbolic input variables either by metabolic constraints or by on-line measurements, a simulator of the production and a software sensor able to determine the various phases of the culture on-line are respectively built

L'affinage des fromages de type camembert est sous le contrôle de la croissance et de l'équilibre de deux populations fongiques, Geotrichum candidum et Penicillium camembertii. Les cinétiques de croissance, de consommation des substrats, de production de métabolites et de transfert de protons sont décrites et discutées. De là, la cinétique de croissance est reconstruite par des moyens indirects. Dans l'étude des mécanismes diffusionnels proposée, une loi d'association partielle entre croissance et consommation ou production est considérée, avec un terme supplémentaire rendant compte des limitations diffusionnelles. Le transfert dans le gel suit bien une loi de diffusion plane et unidimensionnelle, et le modèle de diffusion/réaction rend bien compte de l'expérience jusqu'à l'arrêt de la croissance. La transposition des résultats obtenus au système réel est également bien amorcée. Des gradients de concentration en lactate, en ammoniaque et des gradients de pH ont été mis en évidence sur caillé lactique.

Le métabolisme des microorganismes est traditionnellement étudié à deux échelles: d’une part, à l’échelle locale, la description des réactions métaboliques et d’autre part, à l’échelle globale, l’étude de la physiologie de la cellule. Malgré des progrès technologiques récents facilitant les études à ces deux échelles, leur exploitation conjointe demeure complexe car le comportement physiologique de la cellule résulte de l’action coordonnée de nombreuses réactions. Les modèles mathématiques globaux du métabolisme ont toutefois récemment permis de relier ces deux échelles. Dans cette thèse, nous explorerons l’utilisation de ces modèles pour compléter la connaissance des réactions à l’aide d’une catégorie particulière de données d’échelle globale : les essentialités de gènes déterminées à partir des phénotypes de croissance de mutants de délétion. Nous nous appuierons pour cela sur la bactérie Acinetobacter baylyi ADP1. Après avoir présenté les développements effectués pour reconstruire un modèle global du métabolisme d’A. baylyi, nous montrerons que la confrontation entre phénotypes observés et phénotypes prédits permet de mettre en évidence des incohérences entre les deux échelles d’observations. Nous montrerons ensuite qu’une interprétation formelle de ces incohérences permet de corriger le modèle et d’améliorer la connaissance du métabolisme. Nous illustrerons ce propos en présentant les corrections que nous avons réalisées à l’aide de phénotypes de mutants d’A. baylyi. Enfin, dans une dernière partie, nous proposerons une méthode permettant d’automatiser la correction des incohérences causées par des erreurs d’association entre gènes et réactions
Microbial metabolism has traditionally been investigated at two different scales: the finest involves characterizing individually each reaction occurring in the cell; the largest focuses on global cell physiology. While both scales have recently benefited from technological advances, combining them remains, however, especially complex as the global physiological behavior of a cell results from the coordinated action of a large network of reactions. Mathematical modeling approaches have yet shown recently that genome-scale metabolic models could help in linking both scales. In this thesis, we explore the use of such models to expand the knowledge of reactions with a specific type of high-level data: gene essentiality data, assessed using growth phenotypes of deletion mutants. We will use as model organism the bacterium Acinetobacter baylyi ADP1, for which a genome-wide collection of gene deletion mutants has recently been created. Following a presentation of the key steps and developments that have been required to reconstruct a global metabolic model of A. baylyi, we will show that confronting observed and predicted phenotypes highlight inconsistencies between the two scales. We will then show that a formal interpretation of these inconsistencies can guide model corrections and improvements to the knowledge of metabolism. We will illustrate this claim by presenting model corrections triggered by A. baylyi mutant phenotypes. Finally, we will introduce a method that automates the correction of inconsistencies caused by wrong associations between genes and reactions

Ce chapitre s’inscrit dans la caractérisation du danger, une des quatre étapes de l’évaluation du risque. Il est totalement dédié aux modèles dose-réponse, c’est-à-dire aux modèles mathématiques reliant la quantité de microorganismes ingérés via la consommation d’un aliment (la dose) à la probabilité d'infection et de maladie de l’hôte (la réponse).