Tesis sobre el tema "Microorganismes – Modèles mathématiques"

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

L'affinage du camembert est régulé par deux populations fongiques, Geotrichum candidum et Penicillium camembertii. Pour éviter le problème de la mesure de la biomasse à la surface d'un milieu solide, la culture liquide a été préférée. Pour les deux microorganismes, les relations entre cinétique de croissance et cinétiques de consommation ou de production ont été examinées. Les cultures sur milieux à base de peptones ou de glutamate ont montré que le lactate ne convient pas à G. Candidum comme source de carbone, il n'est en effet assimilé que comme source d'énergie pour le maintien cellulaire durant la phase stationnaire. Par contre, P. Camembertii assimile simultanément lactate et peptones ou glutamate. Cependant, sur glutamate et lactate nous avons mis en évidence un découplage des sources de carbone et d'énergie: le glutamate est assimilé comme source de carbone (et d'azote), et le lactate comme source d'énergie. Un modèle non structuré a été développé pour prédire la croissance microbienne. Le modèle permet également de déduire de la cinétique considérée, les parts respectives liées à la croissance et à la maintenance cellulaire.

Dans cette thèse, nous étudions des modèles d'agrégation limitée, qui modélisent la coalescence de particules ayant des "bras", c'est-à-dire un nombre fixé de liens potentiels. Une particule ne peut donc créer plus de liens que son nombre de bras. On s'intéresse en particulier à une variante de l'équation de Smoluchowski introduite par Jean Bertoin. Ce document comprend, outre l'introduction, trois chapitres. Le premier est dévolu à l'étude d'un modèle sexué de coagulation, où les particules ont des bras mâles et femelles et seuls des bras de sexes opposés peuvent se joindre. Ce modèle généralise et unifie ceux de Bertoin, dont on peut en particulier retrouver les résultats. Le second chapitre comprend un travail en collaboration avec Lorenzo Zambotti. On s'y intéresse à l'unicité des solutions d'équations de coagulation après gélification, en particulier l'équation de Smoluchowski avec noyau multiplicatif et l'équation d'agrégation limitée. En particulier, on donne des preuves rigoureuses de certaines heuristiques de la littérature physique, par exemple en calculant précisément le temps de gélification. Dans le cas d'agrégation limitée, on obtient aussi des formules particulièrement simples pour les concentrations limites. Pour expliquer celles-ci, on étudie dans le dernier chapitre un modèle microscopique pour l'équation de Smoluchowski d'agrégation limitée. Ceci est un travail commun avec Mathieu Merle. On parvient à décrire précisément l'état microscopique du système à tout temps et ainsi à retrouver les formules du second chapitre. Une caractéristique frappante de ce modèle est qu'il possède une propriété de criticalité auto-organisée.

Le Cydia pomonella granulovirus (CpGV) a été utilisé pendant plus de quinze ans pour le contrôle du carpocapse des pommes et des poires (C. Pomonella). En 2004, une population résistante à l’isolat viral CpGV-M utilisé au champ a été détectée pour la première fois dans un verger biologique du sud de la France. Le facteur de résistance de cette population a été estimé à 13 000 fois. Une colonie de laboratoire (RGV) a été établie à partir de ces insectes résistants, suivi d���une introgression du caractère de résistance au sein d’une colonie sensible de référence, Sv. La caractérisation génétique de la résistance a mis en évidence que la résistance est soit monogénique, soit contrôlée par un seul gène majeur, porté par le chromosome Z. Seul un faible coût biologique a été associé à ce caractère de résistance. Les points de blocage de l’infection virale n’ont pas été identifiés. Il semblerait néanmoins que la résistance ne soit pas liée au passage de la membrane péritrophique mais plutôt à un problème de réplication de l’isolat viral CpGV-M dans la cellule hôte. Un nouvel isolat viral, NPP-R1, a été identifié et contournait partiellement la résistance des larves RGV au laboratoire. Des passages successifs ont été réalisés à partir de cet isolat NPP-R1 sur des larves RGV. Après 16 cycles d’amplification, l’isolat viral obtenu, 2016-r16, contournait totalement la résistance au laboratoire
The Cydia pomonella granulovirus (CpGV) has been used for fifteen years as a bioinsecticide in codling moth (C. Pomonella) control. In 2004, an insect population with low susceptibility to the virus was detected for the first time in southeast France. The resistance factor was estimated to be 13,000-fold. A laboratory colony of codling moth that was resistant (RGV) to the CpGV-M isolate used in the field was established with resistant insects collected in field followed by an introgression of the resistant trait into a susceptible colony (Sv). The genetic characterization of the resistance showed that the resistance is either monogenic or controlled by a single major gene. The major resistant gene of RGV was localized on the sexual chromosome Z and only small fitness costs have been related to the resistant trait. Blocking points of the viral infection in RGV hosts have not been identified. Nevertheless, the investigations suggest that the peritrophic membrane is not implicated and that the resistance is rather related with a viral multiplication problem in the host cells. A new viral isolate called NPP-R1 was identified and overcome partially the resistance of RGV larvae in laboratory. Serial passages have been carried out on RGV larvae starting from the NPP-R1 isolate. After 16 cycles, the viral isolate, 2016-r16, totally overcome the RGV resistance in laboratory

La physiologie d’organismes unicellulaires est la conséquence d’un métabolisme central dont le bilan entrée-sortie témoigne à la fois de la richesse du milieu de culture des cellules et de leur état propre. Lorsque des bactéries sont cultivées dans un fermenteur biologique alimenté en un point, transportées dans un écoulement turbulent, elles doivent composer avec des gradients de concentration tout au long de leur séjour dans le réacteur. Simuler cette physique dans une démarche de modélisation multi-échelle nécessite de prendre en compte les lois, bien connues, de l’hydrodynamique, mais aussi de la biochimie des cellules, laquelle est encore assez mal comprise à l’heure actuelle. De plus, le coût prohibitif des expériences numériques impose de réduire les modèles afin de limiter la durée des calculs à quelques semaines. Dans ce contexte, l’attention a été portée sur la phase biologique. La dynamique de la population bactérienne est donnée par une équation intégro-différentielle de transport-rupture dans l’espace des propriétés internes des particules. Le choix des variables les plus à-propos est d’une importance capitale pour rendre compte au mieux de l’évolution temporelle de l’état des cellules au cours de leur trajectoire dans le fermenteur, laquelle est assimilable à un processus markovien. La longueur des micro-organismes rend compte de leur morphologie et leur progression dans le cycle cellulaire, et la vitesse d’assimilation du substrat environnant du transfert de matière avec la phase liquide. La résultante en est le calcul des flux d’entrée dans le métabolisme central des organismes dont les sorties sont les vitesses apparentes d’allongement et, en cas de sur-assimilation, mobilisation de réactions périphériques de combustion de l’excès de matière organique. Outre leur histoire propre, les rendus métaboliques des individus peuvent être impactés par la disponibilité du substrat à leur voisinage, laquelle résulte de l’alimentation et de l’état de mélange du réacteur. Les variables d’état sont à support compact, ce qui soulève la question du caractère bien posé du problème mathématique, de même que résoudre une EDP sur un borné est traditionnellement plus difficile que dans ℝ^n, n∈ℕ. Il est montré que la solution de Malthus de l’équation de transport-rupture est de classe C¹ dès que la fragmentation l’emporte sur la croissance des cellules près du bord droit du support de la distribution en taille. Dans l’ensemble, la solution est continue à chaque instant dans l’espace des états. Ces résultats autorisent la mise en place d’algorithmes de résolution (dans ce travail, par méthodes de Monte- Carlo, Volumes Finis et Quadrature de MOMents) du problème bien posé, lesquels sont exploités pour simuler cinq expériences de génie biochimique dont les conclusions sont détaillées dans la littérature
The physiology of unicellular organisms results from a central metabolism which input-output balance accounts for both the cells’ state and their culture medium’s abundance. When bacteria are cultivated in a locally fed fermenter and transported in a turbulent flow, they have to deal with concentration gradients throughout their trajectory in the reactor. Simulating this physics in a multiscale modelling approach requires taking into account not only the well-known laws of hydrodynamics, but also the cells’ biochemistry which is still ill-understood to date. Moreover, the prohibitive cost of the numerics forces to reduce the models to constrain the duration of the experiments to a few weeks. In this context, special consideration has been given to the biological phase. The bacteria population dynamics is given by an integro-differential transport-rupture equation in the space of the particles’ inner coordinates. Picking the most appropriate variables is of paramount importance to best report the time evolution of the cells’ state throughout their history in the fermenter, the latter being comparable to a markovian process. The microorganisms’ length testifies to their morphology and their progress in the cell cycle, whereas the uptake rate of the surrounding resources leads to an evaluation of the material transfer between the liquid and biotic phases. The result is the estimation of the source term in the organisms’ central metabolism which outputs are the apparent rate of anabolism and, if over-uptake, activation of peripheral reactions to combust the surplus in organic compounds. Beyond their own history, the individuals’ metabolic yields can be impacted by the substrate availability at their neighbourhood, which stems from the feeding and the level of mixing in the reactor. The state variables have a compact support, what raises the question of the mathematical problem’s wellposedness, similarly as solving a PDE over a bounded set is traditionally more difficult than over ℝ^n, n∈ℕ. It is shown that the Malthus eigenfunction associated with the transport-rupture equation is C¹ as soon as fragmentation trumps cell growth near the right-hand edge of the size-distribution’s support. All in all, the solution is continuous at each time in the state space. These results allow the implementation of numerical codes to solve (in this work, by Monte-Carlo, Finite Volume, or Quadrature of MOMents methods) the well-posed problem, the algorithms being exploited to simulate five biochemical engineering experiments which conclusions are detailed in the literature

Les communautés microbiennes sont des systèmes complexes composés de diverses espèces de micro-organismes interagissant entre elles et avec leur environnement. La biologie des systèmes offre un cadre pour leur étude, alliant expérimentation, génération de données à haut-débit et leur intégration dans des modèles informatiques. La compréhension de ces communautés passe notamment par celle de leur métabolisme et des échanges de molécules entre espèces susceptibles d’impacter positivement ou négativement chacun des membres. Le métabolisme est un ensemble de réactions biochimiques et peut s’abstraire à l’échelle d’un génome par des réseaux faisant le lien entre les gènes et les réactions d’un organisme. Ces réseaux permettent de construire des modèles métaboliques, représentations informatiques ou mathématiques du comportement des organismes dans des conditions expérimentales. Le passage de l’individu à la communauté, composée de quelques espèces en conditions contrôlées, ou de plusieurs centaines en conditions environnementales, soulève des difficultés méthodologiques dans la construction des modèles. Ce manuscrit de thèse traite de la modélisation du métabolisme et des interactions métaboliques au sein des écosystèmes microbiens en mettant l’emphase sur l’explication des mécanismes cellulaires qui justifient les interactions bactériennes. Des solutions numériques sont majoritairement utilisées - assurant la précision des résultats - mais sont confrontées à l’importante combinatoire engendrée par les interactions bactériennes pour des communautés de grande taille. Les réponses apportées par les approches discrètes surmontent la problématique du passage à l’échelle mais sont limitées à une analyse par paire d’organismes. Afin d’identifier un potentiel ajustement méthodologique - conciliant les avantages des deux démarches, i.e. trouver une approche hybride - une première contribution se focalise sur le développement d’un modèle numérique dynamique et précis d’une communauté fromagère composée de trois souches. Notre stratégie itérative a permis l’intégration de données hétérogènes au moyen d’étapes de raffinement et de calibration dynamique. Ces allers-retours entre la connaissance et le modèle ont assuré la bonne prédiction des concentrations des métabolites dosés en métabolomique ainsi que des densités bactériennes au cours de la cinétique de fabrication du fromage. Dans une seconde contribution, nous proposons un modèle par raisonnement permettant de cibler des potentiels de coopération et de compétition dans des communautés bactériennes. Ce modèle repose sur l’inférence de règles logiques inférées de la biologie pour évaluer et comparer les potentiels d’interaction de communautés. Des potentiels d’interaction spécifiques à des écosystèmes ont été révélés ainsi que la pertinence de son utilisation grâce à sa rapidité d’exécution. Enfin, la troisième contribution est une réflexion portant sur l’enrichissement du modèle logique. Nous proposons un prototype s’appuyant sur l’inférence de règles logiques et permettant de (i) sélectionner la meilleure communauté à partir de contraintes biologiques et (ii) d’apporter une notion temporelle, pouvant influencer les potentiels d’interactions. Par cette thèse, nous avons montré que la construction d’un modèle de modélisation hybride du métabolisme n’est pas nécessaire, mais qu’une approche hybride, utilisant des modèles numériques, pour des communautés de petite taille et des modèles discrets, pour analyser rapidement les communautés de taille réelle semble être pertinente
Microbial communities are complex systems composed of various species of microorganisms interacting with each other and with their environment. Systems biology offers a framework for their study, combining experimentation, high-throughput data generation and the integration of the latter into computer models. Understanding these ecosystems requires the analysis of their metabolism and of the exchange of molecules between members, which can have positive or negative impacts on each other. Metabolism is a set of biochemical reactions that can be represented as a genome-scale metabolic network through the association of genes and reactions in an organism. These networks can be used to build metabolic models, mathematical representations of organism behavior under given environmental conditions. Scaling up to the analysis of a community composed of a few species under controlled conditions, or several hundreds in natural environments, raises methodological difficulties in the construction of models. This thesis manuscript deals with the construction of computational models for the analysis of metabolism and metabolic interactions in microbial ecosystems, with a particular attention on explaining the cellular mechanisms underlying bacterial interactions. Numerical solutions are mainly used - ensuring the accuracy of results - but they face combinatorial issues generated by bacterial interactions in large-scale communities. Discrete approaches overcome this problem, but are limited to pairwise analysis. In order to identify a putative methodological tradeoff reconciling the advantages of both approaches, i.e. finding a hybrid approach, a first contribution focuses on the development of a dynamic and accurate numerical model of a cheese bacterial community composed of three strains. Our iterative strategy enables the integration of heterogeneous data through refinement and dynamic calibration steps. This back-and-forth between knowledge and model ensures the accurate prediction of metabolite concentrations and bacterial densities during cheese production. We propose as a second contribution a reasoning-based model for deciphering cooperative and competitive potentials in bacterial communities. This model relies on the inference of logical rules motivated by biology in order to evaluate and compare community interaction potentials. Ecosystem-specific interactions potentials are retrieved, and the fast execution of the reasoning-based approach facilitates the screening of collections of communities. Finally, the third contribution is a reflection on the enrichment of the logic model. We propose a prototype based on the inference of logical rules, enabling (i) the selection of the best community based on biological constraints and (ii) the inference of a temporal notion, which can impact interaction potentials. Through this thesis, we demonstrate that the construction of a hybrid model of metabolism is not required but that a hybrid approach, using numerical models for small communities and discrete models for rapid analysis of full-size communities, seems to be relevant

Un des rôles de l'emballage est de limiter les réactions de dégradation des aliments : pour cela, il contrôle les transferts de gaz (O2, CO2, N2) entre l'atmosphère extérieure et l'espace de tête. Dans le cas des Emballages sous Atmosphère Modifiée (EAM), la composition gazeuse est judicieusement choisie afin de limiter la croissance microbienne (en général faible teneur en O2 et forte concentration en CO2). L'objectif de ce travail est d'étudier et modéliser l'impact des transferts de gaz (O2/CO2/N2) dans le système EAM sur la croissance microbienne. Des modèles existants de microbiologie prévisionnelle ont été couplés avec ceux développés concernant les transferts de gaz via un système d'Equations Différentielles Ordinaires. La perméation au travers de l'emballage, la solubilisation et la diffusion des gaz (O2/CO2) dans les aliments ont été prises en compte. La solubilité et diffusivité de l'O2 et du CO2 dans les aliments solides sont indispensables pour les modèles de transferts. Devant le peu de données concernant ces paramètres, leur caractérisation expérimentale s'est avérée nécessaire. Des méthodologies ont été spécifiquement développées afin de pouvoir accéder à ces deux coefficients, solubilité et diffusivité, dans les aliments solides modèles (fromage emprésuré, miglyols) et réels (jambon, beurre) pour les deux gaz d'études, O2 et CO2. Les méthodologies d'acquisition de la diffusivité et solubilité de l'oxygène reposent sur l'utilisation de capteurs par extinction de luminescence, quant à celles utilisées pour le CO2, se basent sur la titration chimique. La loi de Henry, qui relie concentration dissoute et pression partielle en CO2 dans l'espace de tête a été validée dans les différents produits analysés. La diffusion de l'O2 dans les milieux lipidiques modèles a été étudiée avec une analyse de l'impact de la viscosité et de la température. Ainsi, l'énergie d'activation de la diffusion de l'O2 dans un milieu modèle (Miglyol 812) est de 25 kJ.mol-1 entre 5 et 30°C. Un modèle de transfert de gaz pour le système emballage/aliment a été développé, basé sur la description fickienne des transferts de matière et a été couplé à des modèles de microbiologie prévisionnelle existants dans la littérature. Ce modèle a été confronté aux résultats expérimentaux obtenus sur fromage emprésuré artificiellement contaminé par Listeria monocytogenes à une concentration de 10^3 CFU.g-1. Ce travail a permis d'approfondir les connaissances générales sur la solubilité et la diffusion de l'O2 et du CO2 dans les matrices alimentaires solides, de comprendre et quantifier l'effet des transferts de gaz dans le système emballage/aliment sur la croissance des micro-organismes et de construire les bases essentielles pour un outil d'aide à la décision de choix d'EAM en fonction de l'aliment
Packaging is a key player on reducing food losses, by defining around the food, via the mass transfer of gases (O2, CO2, N2) through the packaging, a headspace atmosphere whose composition is able to reduce physical-chemical (namely oxidation), microbial and physiological (for respiring foods) food degradation rate. In Modified Atmosphere Packaging (MAP) of fresh produce, the gaseous composition of the headspace is chosen in order to prevent microorganism growth (usually low O2 and high CO2 concentrations are chosen). This work aimed at initiating and developing a generalised approach permitting to study and quantitatively model the impact of gas transfer (O2/CO2/N2) occurring in the food packaging system on microbial growth. In this purpose, existing models of predictive microbiology will be coupled to mass transfers (permeation through packaging and solubilisation/diffusion within food) using numerical methods such as ODE (Ordinary Differential Equation) solvers. If the permeation is relatively well known, the two other parameters, O2 and CO2 solubilities and diffusivities, required in mass transfer models are less known, especially for solid food matrices. Experimental acquisition of these parameters was thus required. Some dedicated methodologies have been developed in the framework of this study in order to gain missing data of solubility and diffusivity in solid food matrices for the two studied gases, O2 and CO2. The methods of O2 diffusivity and solubility measurement relied on the use of luminescence-based sensors while for CO2, the methodologies were based on chemical titration. A processed cheese was used as solid model food and the O2 and CO2 solubilities and diffusivities were characterized in this model food as in other real food products: cooked ham and butter. A peculiar attention was paid on the validation of Henry's law in the case of CO2 that links CO2 partial pressure to the dissolved content into the product. The O2 diffusion within lipid-based model materials was studied with a deep analysis of the impact of temperature and viscosity. The energy of activation of oxygen diffusivity in model matrix (Miglyol 812) was found equal to 25 kJ mol-1 for temperature ranging from 5 to 30°C. A mathematical model of gas transfer was developed for the overall food/packaging system and was coupled to existing equations of predictive microbiology. This generalised model was compared with experimental data obtained in the case of mono-directionnal transfers, on the mass transfer and microbiological part (on processed cheese voluntarily contaminated by Listeria monocytogenes with an initial biomass equal to 10^3 UFC g-1). This work had permitted to increase knowledge on the behaviour of O2 and CO2 solubilities and diffusivities into solid food products, to understand and quantify the impact of gas transfers in the food/packaging system on the microorganism growth and to build basements for a new decision support system aiming at helping the user in the choice and design of MAP for a given application

Le travail se situe au carrefour de plusieurs disciplines qui sont la biologie des populations, l'epidemiologie d'une maladie sur plantes, la modelisation, l'agronomie et la biometrie. La synthese bibliographique s'attache a une litterature specifique du domaine d'etude envisage, la phytopathologie. Sont presentes les modeles les plus couramment employes pour decrire et predire le developpement des maladies sur plantes, pour estimer les pertes de rendement qu'elles entrainent. Les problemes rencontres lors de l'acquisition des donnees indispensables a leur elaboration et leur mise en place sur le terrain sont discutes. L'importance de la notion de seuil de nuisibilite (biologique et economique) pour la construction d'un modele de prevision de pertes de rendement est egalement mise en evidence. Le systeme biologique etudie concerne un champignon ascomycete, sclerotinia sclerotiorum, qui se developpe sur le colza (brassica napus l. Var. Oliefera) et affecte son rendement. Les donnees sont fournies par le cetiom. Le protocole experimental permettant une etude epidemiologique de ce champignon est detaille, valide et des ameliorations possibles sont proposees. Des donnees issues d'enquetes agronomiques ou d'itineraires techniques sont egalement etudiees. Une partie methodologique montre l'apport des analyses multivariees (acp, acm, acp inter et intra-classes) au traitement de donnees d'epidemiologie vegetale en insistant sur leur interet pour la selection des variables reellement explicatives de la maladie et pour l'etude de l'influence de differents taux d'attaque, sur les variables morphologiques et le rendement. Une methodologie particuliere, derivee de la regression orthogonale, et l'utilisation de la methode d'analyse multitableaux statis sont proposees. Les criteres statistiques d'aide a la selection de la meilleure equation de regression sont egalement presentes. L'impact de faibles taux d'attaque de sclerotinia sclerotiorum sur le rendement du colza et l'existence d'une relation entre les caracteristiques morphologiques des plantes et le developpement d'une attaque sont etudies. Les resultats obtenus permettent d'emettre une hypothese sur le fonctionnement de la maladie dans le cas d'une faible attaque de sclerotinia sclerotiorum

Les travaux concernent la caracterisation d'un bioreacteur a plateaux, muni d'un systeme d'agitation pulse pneumatiquement. Par une etude anemometrique des champs de vitesses relatifs a un ensemble de jets monophasiques generes a l'aval d'un plateau perfore, une zone fortement turbulente suivie d'une zone d'homogeneisation des vitesses sont distinguees et la transition correspondante est assuree par le recoupement de jets adjacents. L'instationnarite de l'ecoulement liee a la pulsation modifie l'epanouissement des jets et allonge la zone de turbulence. L'extension qualitative des resultats aux ecoulements instationnaires diphasiques attribue les fortes capacites de transfert d'un reacteur garni de plateaux a la creation de cette zone turbulente qui intensifie le coefficient de transfert, et au refractionnement des bulles qui augmente l'aire d'echange gaz-liquide. Les caracteristiques de transfert gaz-liquide sont ensuite evaluees dans le bioreacteur par le suivi du transfert d'oxygene obtenu dans differentes conditions de pulsation. La determination des taux de transfert par methode dynamique n'a pas permis de mettre reellement en evidence le role de la pulsation. Du point de vue energetique, les meilleurs resultats correspondent a des rendements energetiques en oxygene par kilowatt-heure. Par ailleurs, une etude sur la distribution de temps de sejour a permis de modeliser le comportement hydrodynamique du reacteur en regime aere et pulse. Il peut etre assimile a une cascade de reacteurs parfaitement melanges dont le nombre correspond au nombre des espacements interplateaux, compte tenu de l'etancheite de chacun de ces compartiments. Enfin, une derniere partie a montre que les performances de transfert permettaient de realiser une culture semi-discontinue de saccharomyces cerevisiae sans limitation par l'oxygene

Après une étude bibliographique sur les méthodes d'épuration des lisiers, le fonctionnement des biomasses microbiennes fixées et des microflores nitrifiantes, le travail expérimental décrit l'implantation et le fonctionnement des microflores nitrifiantes dans des réacteurs d'infiltration-percolation aérés constitués de graviers calcaires ou siliceux et recevant des effluents très chargés en matière organique et en azote. La modification des rythmes d'aération a montré qu'une aération réduite altère d'abord le fonctionnement de la nitrification avant de favoriser la dénitrification. L’augmentation de 50% de l'alcalinité naturelle du lisier favorise la nitrification sur les deux supports: au delà elle n'a pas d'effet favorable. L’alcalinité disponible est un facteur limitant de la nitrification qui peut être compensée à partir du gravier calcaire. La nitrification a pu fonctionner ensuite pendant 380 jours dans les seuls réacteurs calcaires recevant des apports de lisier journaliers avec des concentrations en azote ammoniacal atteignant 4 g. L-¹ et a permis la transformation de 400 g. M-². Jour d'azote ammoniacal. Cependant la baisse de pH entraine la dissolution du carbonate de calcium en rapport stœchiométrique avec l'acidité produite. La biomasse microbienne et les activités nitritantes, nitratantes et dénitrifiantes sont principalement localisées dans les horizons de surface des réacteurs. Les activités spécifiques calculées varient respectivement de 0,5 a 11,7 ng N. Cellule-¹. H-¹, de 6,6 a 29,2 pg N. Cellule-¹. H-¹ et de 28,8 a 96,3 pg N. Cellule-¹. H-¹ pour les bactéries nitritantes, nitratantes et dénitrifiantes. L’utilisation de carbone minéral marqué au 14C et d'inhibiteur spécifique, et l'estimation des ratios n oxydé/c incorporé ont montré le caractère autotrophe, voire plutôt mixotrophe des microflores nitritantes et nitratantes malgré la richesse en matière organique du milieu

La culture de cyanobactéries en photobioréacteur est régie par des limitations physiques (distribution de l'énergie lumineuse, transfert du Co 2) et biologiques (concentration limitante des différents nutriments). Dans le cadre de la réalisation d'un celss (controlled ecological life support system), la modélisation de ces limitations est particulièrement importante, ainsi que son intégration dans un système de contrôle afin d'obtenir un fonctionnement robuste et stable du systeme et l'obtention de la biomasse souhaitée. Cette étude a permis d'optimiser le fonctionnement du compartiment photautotrophe de melissa (microbiological ecological life support system alternative), qui constitue un écosystème ferme basé principalement sur des micro-organismes. Dans un premier temps, des cultures continues de spirulina platensis ont été réalisées dans un photobioréacteur de 7 litres à illumination radiale pour caractériser le comportement de cette cyanobactérie dans les cas de taux de dilution élevés et de limitation par la source d'azote, pour des cultures limitées par la lumière. Les productivités obtenues expérimentalement tout comme les déviations métaboliques qui surgissent dans ces situations de limitation ont été confrontées aux prédictions d'un modèle mathématique prédictif de la concentration et de la composition de la biomasse de spirulina platensis qui a été mis au point antérieurement dans le cadre du projet melissa un programme de contrôle contenant une version simplifiée de ce modèle de connaissance a été appliquée avec succès à la conduite de ce même photobioréacteur. Un tel systeme permet la régulation automatique de la concentration de la biomasse autour d'un point de consigne, par modulation de l'intensité lumineuse et du débit d'alimentation appliques à la culture. Par la suite, un changement d'échelle du compartiment photoautotrophe a été réalisé. Une étude de dimensionnement et la comparaison de différentes géométries ont conduit à la sélection d'un photobioréacteur gazosiphon à boucle externe d'un volume de 77 litres et dont la partie illuminée est composée de deux tubes cylindriques de diamètre 15 cm. Le système de contrôle de ce photobioréacteur a été développé et validé, puis ses principales caractéristiques physiques ont été déterminées dans différentes conditions opératoires. Finalement, un fonctionnement satisfaisant de ce réacteur a été obtenu pour des cultures en mode batch et continu. La limitation par la source de carbone chez spirulina platensis a été étudiée dans ce photobioréacteur et l'interaction entre les mécanismes de concentration du carbone et la photosynthèse a pu être mise en évidence.

La famille la plus commune des organismes dans le zooplancton est un groupe connu intitulé copépodes. Les copépodes ont un rôle majeur dans l’écosystème marin, car ils sont les producteurs secondaires dans la chaîne alimentaire écologique reliant les cellules de phytoplancton à des larves de poissons et même aux grands mammifères comme les baleines. Le comportement de nage de copépodes présente des sauts puissants et rapides. Une telle aptitude est utilisée pour échapper à des régions de cisaillement élevées, qui peuvent être causés soit par des perturbations d’écoulement, soit par un grand prédateur ou par la dynamique de fortes turbulences inhérentes à l’océan. La recherche présentée dans cette thèse se compose trois étapes. Tout d’abord, les données de vitesse de copépodes affichant réaction de fuite des sauts dans l’eau stagnante sont utilisées pour définir et affiner un modèle copépode lagrangien (CL). Deuxièmement, le modèle développé est utilisé pour simuler le comportement de milliers de copépodes dans un écoulement turbulent hydrodynamique entièrement développé obtenu par simulation numérique directe des équations de Navier-Stokes. Troisièmement, des analyses des données numériques sont réalisées pour quantifier la dynamique de copépodes en turbulence et pour faire une comparaison avec les observations expérimentales disponibles de copépodes en turbulence. Grâce à une étude expérimentale et numérique combinée, nous étudions l’impact du comportement de saut, l’effet de l’intensité de saut, d’orientation de saut, du temps de latence et rapport d’aspect géométrique des copépodes sur la distribution spatiale à petite échelle dans un environnement turbulent
The most common family of multi-celled organisms in the zooplankton is a rather diversified group of crustaceans known with the name of copepods. Copepods have a major role in the marine ecosystem because they are the secondary producers in the ecological food-chain linking phytoplankton cells to fish larvae and even to large mammals such as whales. Copepods swimming behavior exhibits quick powerful jumps. Such an aptness is used to escape from high shear regions, which may be caused either by flow perturbations, produced by a large predator (i.e., fish larvae), or by the inherent highly turbulent dynamics of the ocean. The research presented this thesis goes into three steps. Firstly, recorded velocity tracks of copepods displaying escape response jumps in still water are used to define and tune a Lagrangian copepod (LC) model. Secondly, the model is further employed to simulate the behavior of thousands of copepods in a fully developed hydrodynamic turbulent flow obtained by direct numerical simulation of the Navier-Stokes equations. Thirdly, numerical data analysis is performed to quantify copepods’ dynamics in turbulence and make a comparison with available experimental observations of copepods in turbulence.Through a combined experimental and numerical study, we investigate the impact of jumping behavior on the small-scale patchiness of copepods in a turbulent environment. We further investigate the effect of jump intensity, jump orientation, jump latency time and geometrical aspect ratio of the copepods on the small-scale spatial distribution. At last, possible ecological implications of the observed clustering on encounter rates and mating success are provided

Les pratiques culturales modifient l'architecture des couverts de manière à augmenter ou diminuer le développement des épidémies mais les processus mis en jeu sont complexes ; des modèles mécanistes simulant l'interaction entre plante et pathogène devraient aider à les clarifier. Les modèles de Plantes Virtuelles, qui permettent de décrire explicitement la structure tridimensionnelle de la plante, semblent particulièrement prometteurs pour exprimer les effets de l'architecture de la plante sur le développement des épidémies. L'objectif de cette étude est d'examiner la possibilité de simuler l'effet de l'architecture des plantes sur le développement de la maladie en utilisant un modèle Plante Virtuelle. Dans ce travail, nous nous intéressons au pathosystème blé-Septoria tritici, dans lequel l'architecture joue un rôle important. En effet, les spores de Septoria tritici sont propagées par les éclaboussures de pluie depuis les feuilles infectées du bas du couvert vers les nouvelles feuilles saines. Notre travail s'est appuyé sur un modèle pré-existant d'épidémie de la septoriose, Septo3D. L'architecture du blé a été étudiée pour une gamme de densités et de date de semis. Les différences de phyllochrone entre traitements ont été dans une gamme susceptible de modifier le développement de la septoriose. Ces variations ont été représentées par un modèle descriptif qui tient compte du nombre de feuilles final et de la photopériode. Une description détaillée des variables d'architecture à l'échelle des organes et du couvert a fourni une documentation originale et complète sur la plasticité de l'architecture du blé. Ces données ont été utilisées pour paramétrer la description du blé dans Septo3D. Globalement, les traitements étudiés ont conduit à de fortes différences de la densité de végétation au cours du temps. Les dynamiques de développement de la septoriose ont été suivies pour trois traitements de densités contrastées. Les cinétiques de la maladie simulées par le modèle étaient conformes aux mesures expérimentales. Bien que, l'approche nécessite davantage de validation, les résultats confirment que l'approche Plante Virtuelle apporte un nouvel éclairage sur les processus et les caractéristiques des plantes qui impactent les épidémies. En conclusion, nous proposons quelques perspectives en vue de nouvelles applications et améliorations de l'approche.