Biologie synthétique, Biotechnologie, Cybergénétique, Théorie de contrôle, Consortium microbien, Modélisation des processus cellulaires, Biologie computationnelle, Système bimodale, Optogénétique, Machine d'état basé sur une recombinase contrôlable de manière externe

Les consortiums microbiens artificiels cherchent à exploiter la division du travail pour optimiser des fonctions et possèdent un immense potentiel pour la bioproduction. Les approches de co-culture, le mode préférentiel pour générer des consortiums, restent limitées dans leur capacité à donner naissance à des consortiums stables ayant des compositions précisément ajustées. J'ai développé ici un système de différenciation artificielle dans la levure boulange capable de générer à partir d'une seule souche des consortiums microbiens stables avec des fonctionnalités choisies et ayant une composition définie par l'utilisateur dans l'espace et dans le temps, grâce à une modification génétique pilotée par optogénétique. Grâce à une dynamique rapide, reproductible et ajustable par la lumière, mon système permet un contrôle dynamique de la composition des consortiums dans des cultures continues pendant de longues périodes. Je démontre également que notre système peut être étendu de manière simple pour donner naissance à des consortiums avec de multiples sous-populations. Cette stratégie de différenciation artificielle établit un nouveau paradigme pour la création de consortiums microbiens complexes qui sont simples à mettre en oeuvre, contrôlables avec précision et polyvalents à utiliser. En plus de cela, j'ai caractérisé le système au niveau de la cellule unique dans différents contextes en changeant la structure du bruit du facteur de transcription optogénétique qui induit la différenciation. J'ai découvert que le changement de la structure du bruit introduisait un couplage complexe entre les niveaux de la population de cellule et des cellules individuelles, qui ne peut être prédit par un simple modèle d'equations differentielles ordinaires. L'utilisation d'un modèle stochastique bien caractérisé a permis de rétablir la prévisibilité. Enfin, j'ai couplé le système de différenciation avec un system d'arrêt de croissance et de bioproduction de sorte que les cellules différenciées arrêtent de croître et commencent à produire une protéine d'intérêt. J'ai comparé l'efficacité de l'approche basée sur la différenciation avec des équivalents constitutifs et inductibles. J'ai constaté que la production n'était pas monotone par rapport à la fraction de différenciation mais qu'elle pouvait surpasser l'expression induite par un promoteur constitutif fort.