Thèse Microfluidique Innovante pour l'Optimisation des Bioprocédés H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Institut National des Sciences Appliquées de Toulouse
École doctorale : MEGEP - Mécanique, Energétique, Génie civil, Procédés
Laboratoire de recherche : TBI - Toulouse Biotechnology Institute, Bio & Chemical Engineering
Direction de la thèse : Mickaël CASTELAIN ORCID 0000000202567663
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-15T23:59:59

Les bioréacteurs sont des systèmes multiphasiques où les transferts de matière influencent fortement les vitesses de réaction biologique. Les micro-organismes qui y évoluent sont soumis à des conditions fluctuantes (oxygène, nutriments, pH, température). Malgré ce caractère dynamique, les réponses physiologiques à l'échelle unicellulaire restent encore peu explorées. Ce projet de doctorat vise à développer des outils expérimentaux de pointe pour étudier l'adaptation microbienne et les dynamiques métaboliques à l'échelle de la cellule unique, en lien avec les procédés en bioréacteur.
Le projet se situe à l'interface de la physique et de la microbiologie, avec le développement d'une plateforme originale combinant pinces optiques holographiques (manipulation sans contact de cellules individuelles), puce microfluidique (contrôle des conditions environnementales) et fluorescence induite par laser pour mesurer localement l'oxygène, le CO et le pH. Le travail expérimental s'organisera en trois axes : (i) mesure de l'activité métabolique par des techniques optiques innovantes ; (ii) suivi de la croissance et de la morphologie sous variations brusques de l'environnement ; (iii) étude des réponses dynamiques à des fluctuations périodiques mimant les gradients de bioréacteurs. Les données obtenues alimenteront des modèles de simulation développés en parallèle dans l'équipe.

Les micro-organismes cultivés dans des bioréacteurs industriels sont exposés à des conditions environnementales fluctuantes, telles que des variations de la disponibilité en oxygène, de la concentration en nutriments, du pH ou encore de la température. Ces fluctuations influencent la physiologie cellulaire et peuvent entraîner une diminution de la productivité globale des procédés. Néanmoins, la relation entre les conditions environnementales locales et les réponses microbiennes à l'échelle de la cellule individuelle demeure encore mal comprise.

Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet SCUBA, qui vise à explorer le rôle des bioréacteurs dans le développement de bioprocédés plus durables. Les bioréacteurs constituent des systèmes multiphasiques au sein desquels les transferts de matière entre phases jouent un rôle déterminant dans les cinétiques des réactions biologiques. Le flux de transfert interfacial, souvent désigné en microbiologie comme le taux d'absorption (« uptake rate »), représente un paramètre clé des modèles de bioprocédés et définit les limites supérieures des vitesses de biotransformation microbienne.

L'objectif de ce projet est d'améliorer la compréhension du comportement microbien en conditions fluctuantes, en développant des approches expérimentales à l'échelle de la cellule unique. Ces approches reposeront sur l'utilisation de pinces optiques holographiques couplées à une plateforme microfluidique. Le travail portera en particulier sur la mesure de l'activité métabolique ainsi que sur le suivi de la morphologie cellulaire et des processus de division lorsque les cellules sont soumises à des fluctuations environnementales contrôlées.

Les travaux s'appuieront principalement sur des levures modèles largement utilisées en biotechnologie, notamment Saccharomyces cerevisiae et Yarrowia lipolytica. D'autres souches microbiennes pourront également être étudiées en fonction de l'avancement du projet.

Objectif général :
Développer des méthodes expérimentales innovantes pour étudier les réponses microbiennes dans des environnements dynamiques, en particulier ceux rencontrés dans les bioréacteurs.

Objectifs spécifiques :
1. Développement d'une plateforme expérimentale
- Concevoir et mettre en place une plateforme permettant l'observation de la physiologie microbienne sous des conditions contrôlées et fluctuantes.
- Contribuer à la définition méthodologique de cette plateforme.
- Analyse des réponses physiologiques microbiennes
2. Quantifier l'activité métabolique des micro-organismes.
- Mesurer la croissance cellulaire et la division.
- Décrire les changements morphologiques en temps réel.
3. Étude du lien environnement-réponse cellulaire
- Relier les conditions environnementales aux réponses cellulaires observées.
- Identifier les mécanismes d'adaptation aux fluctuations.
4. Compréhension de l'hétérogénéité microbienne
- Apporter de nouvelles connaissances sur l'hétérogénéité au sein des populations microbiennes.
- Évaluer l'impact de cette hétérogénéité sur les performances des bioprocédés.

Pour atteindre les objectifs de cette thèse, une approche interdisciplinaire combinant instrumentation avancée, microbiologie quantitative et analyse de données sera mise en oeuvre.

Le projet reposera tout d'abord sur le développement et l'utilisation de dispositifs microfluidiques permettant de générer des environnements dynamiques finement contrôlés. Ces systèmes offriront la possibilité d'imposer aux cellules des fluctuations précises de paramètres tels que la concentration en nutriments, l'oxygénation ou le pH, tout en assurant une observation à haute résolution spatio-temporelle.

L'étude des réponses cellulaires sera réalisée à l'aide de techniques d'imagerie de fluorescence, permettant de suivre en temps réel l'activité métabolique, l'expression de marqueurs spécifiques ainsi que l'évolution de la morphologie cellulaire. Ces observations seront couplées à l'utilisation de pinces optiques holographiques, qui permettront de manipuler individuellement les cellules, de les positionner de manière contrôlée dans le dispositif microfluidique et d'accéder à des mesures à l'échelle de la cellule unique.

Les données acquises feront l'objet d'un traitement avancé d'image et du signal, afin d'extraire des descripteurs quantitatifs robustes liés à la croissance, à la division cellulaire et aux variations morphologiques. Dans ce cadre, une part importante du travail consistera en le développement d'outils de traitement et d'analyse sous Python, incluant la conception de pipelines automatisés pour l'analyse d'images, l'extraction de caractéristiques et l'interprétation des dynamiques cellulaires en conditions fluctuantes.

Par ailleurs, une approche microbiologique expérimentale sera menée en parallèle, en s'appuyant sur des souches déjà caractérisées au laboratoire, notamment des levures modèles. Cette composante inclura la culture, la préparation et l'adaptation des souches aux dispositifs expérimentaux, ainsi que l'éventuelle modification génétique ou l'intégration de rapporteurs fluorescents adaptés aux questions biologiques étudiées.

L'ensemble de ces méthodes permettra de relier de manière quantitative les conditions environnementales imposées aux réponses cellulaires individuelles, ouvrant ainsi la voie à une meilleure compréhension des mécanismes d'adaptation et de l'hétérogénéité microbienne en bioprocédés.

Ce projet de doctorat se situe à l'interface de plusieurs disciplines : physique optique, microfluidique, mécanique des fluides, génie (bio)chimique et microbiologie. Les compétences nécessaires pourront être acquises au cours du projet, l'équipe assurant une formation à la microfabrication, aux techniques de fluorescence, au traitement d'images et à la microbiologie. Une appétence pour la programmation est indispensable, notamment pour l'acquisition de données, le traitement d'images et l'analyse de signaux, qui nécessiteront le développement régulier de scripts.