Thèse Effet des Écoulements et des Gradients d'Antibiotiques sur les Dynamiques Microbiennes en Milieux Poreux H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Rennes École doctorale : École doctorale Écologie, Géosciences, Agronomie et Alimentation Laboratoire de recherche : GEOSCIENCES RENNES Direction de la thèse : Helene HIVERT ORCID 0000-0003-0834-6156 Date limite de candidature : 2026-09-10T00:00:00

Les communautés microbiennes jouent un rôle essentiel dans de nombreux processus environnementaux et sanitaires. La plupart des connaissances actuelles sur les processus bactériens proviennent d'expériences réalisées dans des conditions relativement homogènes. Or, dans les habitats naturels, les micro-organismes évoluent généralement dans des milieux poreux parcourus par des écoulements de fluides qui génèrent de fortes fluctuations de concentrations en nutriments, oxygène ou antibiotiques. Ces gradients chimiques et hydrodynamiques peuvent favoriser l'émergence de phénomènes tels que l'accélération de la formation de biofilms ou l'augmentation de la résistance aux antibiotiques. Cependant, les mécanismes précis reliant les dynamiques individuelles des bactéries aux comportements collectifs restent encore mal compris.

Les nouvelles plateformes expérimentales de microfluidique et d'imagerie 3D développées à l'OSERen offrent désormais la possibilité d'étudier ces processus à l'échelle bactérienne dans des conditions contrôlées d'écoulement et de gradients chimiques. Parallèlement, les progrès récents en modélisation permettent de relier les dynamiques individuelles aux propriétés émergentes des populations microbiennes. Alors que les approches expérimentales et théoriques dans ce domaine restent souvent dissociées, cette thèse interdisciplinaire a pour objectif d'associer étroitement expérimentation et modélisation.

L'objectif de cette thèse est de comprendre comment les écoulements en milieux poreux et les gradients chimiques associés influencent deux processus clés dans la colonisation bactérienne et la résistance aux antibiotiques : l'attachement aux surfaces et la division cellulaire. L'hypothèse centrale est que l'observation détaillée des dynamiques individuelles - déplacement, attachement, détachement et division - sous écoulement permettra d'identifier les mécanismes responsables de ces phénomènes et de développer des modèles capables de relier les comportements individuels aux dynamiques populationnelles. Nous étudierons également la transposition de résultats obtenus dans des dispositifs microfluidiques 2D vers des environnements poreux 3D plus réalistes.

La thèse s'articulera autour de trois volets complémentaires. Le premier consistera à quantifier expérimentalement les dynamiques bactériennes sous écoulement en milieux poreux à l'aide de dispositifs microfluidiques et d'outils avancés d'analyse d'images. Le second portera sur le développement d'un modèle stochastique individu-centré décrivant la colonisation des surfaces et développement de résistance aux antibiotiques. Enfin, le troisième volet analysera les dynamiques émergentes et confrontera les résultats du modèle aux observations expérimentales issues d'un nouveau dispositif d'imagerie 3D.

Environnement administratif. En cohérence avec la thématique du projet, la thèse se déroulera au sein de l'école doctorale EGAAL, dans le laboratoire Géosciences Rennes, composante de l'OSERen. La personne recrutée rejoindra l'équipe TERA du laboratoire Géosciences Rennes. Pour les missions et les frais liés à la thèse, le projet bénéficiera également d'un environnement financier prévu dans l'ANR CPJ de Hélène Hivert.

Environnement scientifique. Ce projet s'intégrera au sein d'une équipe interdisciplinaire articulant microfluidique, l'imagerie 3D en milieu poreux, l'écologie microbienne, et la modélisation des phénomènes de transport et des dynamiques microbiennes. Des collaborations avec l'Institut de Physique de Rennes (François Peaudecerf, Hervé Tabuteau) et l'Institut Génétique et Développement de Rennes (Christine Baysse) sont déjà en place, pour la microfluidique et la microbiologie. Au sein de l'OSEREN, l'accès à la plateforme MICRO d'Ecobio permettra la culture de bactéries tout au long de la thèse. Les expériences se dérouleront dans les nouvelles salles de biomicrofluidique et d'imagerie 3D situées dans la halle expérimentale de l'OSERen. Le projet bénéficiera du soutien technique de Julien Farasin (IR CNRS) et d'Isabelle Bihannic (IR CNRS) pour les aspects microbiologie et imagerie respectivement. Nous interagirons également avec Julien Herenval (microbiologiste en 3ème année de thèse) et Valentine Rollot (post-doctorante), qui ont développés les dispositifs expérimentaux de l'axe 1 et 3 respectivement.

Les trois co-directeurs appuient l'interdisciplinarité du sujet et apportent des compétences théoriques et expérimentales. Ils collaborent sur le sujet depuis deux ans dans le cadre du projet ANR MicroGradients, coordonné par T. Le Borgne, et interviendront de façon complémentaire.

Ce projet de thèse offre par ailleurs l'opportunité d'une collaboration à l'étranger avec Marco Dentz (CISC, Barcelone), spécialiste de la modélisation stochastique des phénomènes de transport, et permettra ouvrant ainsi la possibilité d'une mobilité pendant la thèse.

Le projet testera l'hypothèse selon laquelle les écoulements de fluides et les gradients chimiques dynamiques dans l'espace et le temps qui en résultent modifient fondamentalement les modes de colonisation microbienne et la résistance aux antibiotiques par rapport aux systèmes homogènes. Nos trois hypothèses principales, découlant de l'état de l'art, sont les suivantes :
- H1. Les gradients chimiques générés par les écoulements peuvent stimuler la colonisation des surfaces par les bactéries et favoriser leur adaptation aux antibiotiques.
- H2. Ce processus peut être décrit par un modèle individu-centré simulant le mouvement, l'attachement et la division des bactéries individuelles.
- H3. Le mélange chaotique inhérent aux milieux poreux 3D modifie fondamentalement ces dynamiques par rapport aux écoulements 2D en générant des écoulements chaotiques.

La thèse sera organisée en trois axes testant les trois hypothèses du projet. La méthodologie repose sur une approche interdisciplinaire alliant expérience et modélisation.

Axe 1 - Analyse par microfluidique des dynamiques microbiennes à l'échelle des bactéries individuelles dans les gradients d'antibiotiques générés par des écoulements en milieux poreux
- Expériences microfluidiques pour observer les dynamiques microbiennes sous gradients d'antibiotiques.
- Analyse des statistiques de déplacement, détachement/attachement et division des cellules individuelles.
- Caractérisation de l'émergence de tolérance et de résistance aux antibiotiques.

Axe 2 - Modélisation à l'échelle des bactéries individuelles de l'effet des gradients d'antibiotique générés par écoulement sur la colonisation et la résistance aux antibiotiques dans les milieux poreux.
- Mise en place d'un modèle individu-centré.
- Développement du modèle pour inclure la tolérance et la résistance aux antibiotiques.
- Analyse des propriétés statistiques du modèle individu-centré et description des propriétés moyennes par équations stochastiques.

Axe 3 - Changement d'échelle de la colonie bactérienne à la colonne de milieux poreux 3D
- Expériences par fluorescence induite par laser pour imager les dynamiques microbiennes dans les milieux poreux 3D.
- Analyse de la croissance et la colonisation des bactéries dans les milieux poreux 3D.
- Caractérisation de l'émergence de tolérance et de résistance aux antibiotiques les milieux poreux 3D.