Thèse une Description Top-Down de l'Oscillateur Circadien chez les Cyanobactéries H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Grenoble Alpes École doctorale : PHYS - Physique Laboratoire de recherche : Laboratoire Interdisciplinaire de Physique Direction de la thèse : Irina MIHALCESCU ORCID 0000000287628241 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-06T23:59:59 Les horloges biologiques sont présentes chez la plupart des organismes vivants, des bactéries aux eucaryotes. Ces oscillateurs circadiens sont auto-entretenus, présentent une période d'environ 24 heures et se distinguent par une grande robustesse aux variations de température, conservant une période quasi constante malgré les changements des taux de réaction. Les mécanismes à l'origine de cette robustesse et de cette adaptabilité restent cependant encore partiellement compris. Ce projet de thèse propose de développer une description simplifiée et quantitative de l'horloge circadienne de la cyanobactérie Synechococcus elongatus, un organisme modèle pour l'étude des rythmes biologiques. En combinant des expériences contrôlées et de la modélisation théorique, l'objectif est de relier les mécanismes moléculaires aux comportements dynamiques observés.
Au coeur de ce système se trouve l'oscillateur protéique KaiABC qui, in vitro, présente des oscillations auto-entretenues disparaissant en dessous d'une température critique via une bifurcation de Hopf. Près de cette transition, la dynamique est bien décrite par une équation de Stuart-Landau, qui fournit un modèle réduit simple et pertinent. Cependant, dans la cellule, le couplage avec d'autres processus modifie la façon dont les paramètres effectifs de l'oscillateur dépendent de la température. Deux explications principales ont été proposées : soit un rétrocontrôle positif dépendant de la température renforce les oscillations, soit un rétrocontrôle négatif retardé permet une compensation en température. À ce jour, les données expérimentales ne permettent pas de trancher entre ces deux scénarios. Pour répondre à cette question, le projet repose sur une approche « top-down » combinant perturbations ciblées et analyse quantitative. Des souches sauvages et des souches génétiquement modifiées , dans lesquelles certains circuits de rétroaction sont perturbés ou l'oscillateur Kai est maintenu dans un état non oscillant, seront étudiées. Les expériences seront réalisées par microscopie de fluorescence sur cellules vivantes, couplée à des dispositifs microfluidiques permettant de contrôler finement l'environnement, notamment via des cycles périodiques de lumière et de température. Ces forçages externes permettront d'explorer de manière systématique la réponse de l'oscillateur dans différents régimes dynamiques.
Les résultats expérimentaux seront comparés de manière quantitative aux prédictions de modèles d'oscillateurs non linéaires réduits. L'analyse de la réponse du système aux variations de fréquence, d'amplitude et de température permettra d'identifier des signatures propres à chaque scénario. Cette démarche aidera à concevoir des expériences capables de discriminer clairement entre les modèles proposés.
En combinant contrôle expérimental et modélisation minimale, ce projet vise à mieux comprendre les principes qui gouvernent les oscillations circadiennes dans les systèmes vivants. Plus largement, il contribuera à une approche physique des dynamiques robustes issues de réseaux biochimiques complexes.
Biochemical oscillators are nonlinear dynamical systems whose rhythmic behavior emerges from feedback loops - delayed or instantaneous, nonlinear reaction kinetics, and balanced production and degradation timescales within multi-component networks [1,2]. One of the most studied biochemical oscillators is the circadian clock, critical for life on Earth as we know it. Widespread across species, the circadian clock evolved to track time by generating internal rhythms aligned with the day-night cycle, characterized by 3 defining properties: sustaining ~24-hour free-running oscillations, resetting via environmental cues like light or temperature (entrainment), and maintaining stable periods despite temperature variations (temperature compensation).
Synechococcus elongatus, a cyanobacterium, was the first bacterium identified with a circadian clock. Initially overlooked by the circadian rhythm community because its cells can divide many times within one circadian period-implying that daughter and granddaughter cells must faithfully inherit the ancestor's circadian phase-this strain has since revealed remarkable properties. Single-cell studies have shown [3] and confirmed [4] that these oscillators exhibit strong phase persistence, without intercellular coupling [5], with a coherence time over hundreds of cycles in constant external conditions, a single bacterial cell having a better phase coherence than a whole organism.
The experimental tractability of this bacterial model enabled detailed mechanistic elucidation of the circadian clock. In vitro reconstitution of the oscillator with purified proteins KaiA, KaiB, and KaiC in the presence of ATP reveals robust ~24-hour phosphorylation rhythms of the KaiC master clock protein; thus, a minimal post-translational oscillator (PTO), independent of transcription and translation, lies at the heart of the cyanobacterial clock. In vivo, this PTO integrates within multiple intertwined transcriptional-translational feedback loops (TTFLs) that confer enhanced robustness and fine-tuned synchronization of cellular processes to environmental cycles. Lately, it has been shown [6] that in this bacterium, even seasonal cues are integrated via the circadian clock: short, winter-like days induce protective changes for cold tolerance, while long, summer-like days trigger changes for heat and light tolerance.
Alongside experimental quantitative findings, the cyanobacterial circadian clock has attracted substantial interest in analytical and numerical modeling. Much of this effort has naturally centered on the in vitro oscillator, where core clock proteins are investigated under controlled conditions. Despite its relative simplicity, the in vitro system exhibits notable complexity that models must address, including features like temperature compensation and structure conformational changes [7]. Extending these modeling approaches to the in vivo clock-which involves detailed molecular components and the cellular environment-introduces significantly greater complexity. This added intricacy complicates efforts to fully understand the fundamental dynamical behavior of the clock in living cells.
The aim of this project is to establish a topdown description of the cyanobacterial circadian clock that captures its essential dynamics, inspired-albeit with due caution-by the instructive analogy of the glycolytic oscillator .
This objective seeks to extend our recent findings [9], which demonstrated that the instantaneous amplitude and phase dynamics (r,) of both in vivo and in vitro oscillators can be markedly simplified and consistently described within the Stuart-Landau formalism of non-linear oscillators. When lowering temperature, both oscillators undergo a supercritical Hopf bifurcation, for which the Stuart-Landau framework provides the rigorous mathematical description in the vicinity of bifurcation onset. Our analyses revealed a transient time scale-present in both in vivo and in vitro conditions-an order of magnitude shorter than predicted by current mechanistic models [7], demonstrating the potential of this approach to uncover novel dynamical features and impose new constraints on existing theoretical frameworks.
Context: The in vitro oscillator, consisting of the core proteins only, shows a Hopf bifurcation at a critical temperature below which oscillations cease to exist and is well describe by a Stuart-Landau model. When coupled to the cellular machinery, the feedback loops shift the properties of the bifurcation to a new set of Stuart-Landau temperature dependent parameters (, \_c). The complete oscillator can be explained by two equally satisfactory feedback models. (i) a temperature-dependent positive feedback mechanism and (ii) a time-delayed negative feedback mechanism exhibiting temperature compensation. While theoretical studies have addressed related questions [10] there are currently no experimental data allowing us to discriminate between these hypotheses.
In the present project, we aim to rigorously assess these alternative feedback scenarios through an integrated combination of experimental investigations and theoretical analysis.

Le/la candidat·e devra être titulaire (ou en cours d'obtention) d'un master 2 en physique, biophysique ou domaine connexe, avec une formation solide en physique statistique, systèmes dynamiques ou physique non linéaire.
Une bonne maîtrise des outils de modélisation et de simulation numérique est attendue. Le/la candidat·e devra être à l'aise avec l'analyse de systèmes non linéaires et posséder des compétences en programmation scientifique (Python, Matlab ou équivalent), notamment pour le traitement de données et la résolution numérique de modèles simples.
Un intérêt marqué pour les systèmes biologiques et les approches interdisciplinaires est important. Une première expérience en biophysique, en analyse de données expérimentales, en microscopie quantitative ou en microfluidique sera appréciée, sans être indispensable.
Le projet impliquant un dialogue étroit entre expériences et théorie, le/la candidat·e devra faire preuve de rigueur, d'autonomie et de curiosité scientifique. Une capacité à relier des modèles théoriques à des observations expérimentales sera un atout.
Enfin, de bonnes compétences en communication scientifique, à l'écrit comme à l'oral (en anglais notamment), ainsi qu'une capacité à travailler dans un environnement collaboratif, sont attendues.