Thèse Cultures Microfluidiques à Base de Gouttelettes pour l'Analyse Quantitative du Métabolisme Microbien et le Développement de Modèles Prédictifs de Bioprocédés H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes École doctorale : Interfaces : matériaux, systèmes, usages Laboratoire de recherche : LGPM - Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux Direction de la thèse : Patrick PERRÉ ORCID 0000000304194810 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-18T23:59:59 Les progrès récents en microfluidique à base de gouttelettes ont permis la miniaturisation des cultures microbiennes dans des microenvironnements hautement contrôlés, où chaque gouttelette fonctionne comme un micro-bioréacteur indépendant. Dans une étude récente menée au laboratoire [1], une plateforme microfluidique à base de capillaires, peu coûteuse, a démontré sa capacité à reproduire la dynamique de croissance et d'expression de la GFP d'E. coli observée dans des flacons Erlenmeyer, tout en réduisant la consommation de réactifs de plus de 30 000 fois. Cependant, ces travaux ont révélé qu'à des concentrations élevées de glucose, le retard dans l'expression de la GFP dans les gouttelettes est dû à une limitation en oxygène.Pour remédier à ce problème, ce projet de doctorat vise à développer et à utiliser une conception microfluidique améliorée afin d'étudier quantitativement le transfert de substrats et le métabolisme microbien, dans des conditions contrôlées. L'objectif est d'utiliser la microfluidique pour obtenir des micro-bioréacteurs prédictifs capables de relier les observations à l'échelle microscopique aux performances à l'échelle du bioréacteur.

Des dispositifs microfluidiques innovants (capillaires et à base de PDMS) seront utilisés pour régler avec précision la taille, l'espacement et la fréquence de génération des gouttelettes, contrôlant ainsi l'accès aux substrats par le biais de mécanismes de transport à la fois initiaux et induits par les limites. Associé à l'imagerie par fluorescence en temps réel, à des microcapteurs et à des séquences d'analyse d'images, le système générera un ensemble complet de données (séquences temporelles avec des conditions de croissance contrastées).

L'ensemble de données servira à alimenter un modèle mécanistique, qui inclut le choix de la formulation et l'identification des paramètres, permettant ainsi de prédire le comportement microbien dans des conditions de croissance contrastés et variables au cours du temps. Les capacités prédictives d'un tel modèle mécanistique sont destinées à être utilisées dans la mise à l'échelle des bioprocédés [2,3]. À terme, cette recherche vise à établir un nouveau paradigme dans lequel les expériences microfluidiques deviendront des outils prédictifs pour la biotechnologie industrielle.
La microfluidique s'est imposée pour l'étude des micro-organismes dans des conditions rigoureusement contrôlées, surmontant ainsi les limites des systèmes de culture conventionnels. Ces dispositifs permettent un contrôle précis des paramètres physico-chimiques tout en réduisant considérablement la consommation de réactifs. Les systèmes à base de gouttelettes permettent un criblage à haut débit en compartimentant les cellules dans des microenvironnements distincts [4, 5, 6] pour les cyanobactéries dans des conditions environnementales variables. Plus généralement, les approches microfluidiques ont été appliquées aux bactéries pour des applications telles que les tests de sensibilité aux antibiotiques et l'analyse de la croissance dans des conditions confines [7, 8]. Malgré ces avancées, des défis subsistent pour relier quantitativement les observations microfluidiques aux bioprocédés macroscopiques, notamment en raison de l'absence de modélisation mécanistique dans les comparaisons systématiques avec les cultures conventionnelles et de l'intégration limitée des outils analytiques en temps réel et de la modélisation prédictive. Ce projet propose le développement de modèles prédictifs capables d'extrapoler des observations à l'échelle des gouttelettes vers des bioréacteurs conventionnels, reliant ainsi les approches microfluidiques à haut débit aux défis des bioprocédés à grande échelle. Pour atteindre les objectifs du projet, les travaux comprennent deux volets complémentaires : i) le développement et l'utilisation de dispositifs microfluidiques capables de contrôler les conditions de croissance et ii) l'utilisation de l'ensemble de données obtenues par ce dispositif pour formuler et affiner un modèle mécanistique. Une souche d'E. coli modifiée exprimant la protéine GFP sera utilisée tout au long des travaux comme micro-organisme modèle.

Étudiant en master 2 ou ingénieur en biotechnologie, génie chimique, génie mécanique ou dans un domaine connexe, présentant un vif intérêt pour la microfluidique, les bioprocédés et la modélisation.

Nous recherchons un étudiant rigoureux, autonome et dynamique, désireux de travailler dans un environnement de recherche multidisciplinaire et collaboratif.