Escherichia coli, Cybernétique, Microfluidique, Théorie du contrôle, Structuration spatiale, Vélocimétrie par image de particules

Les progrès de la microfluidique, de la technologie sensorielle et de la biologie synthétique et moléculaire ont permis l'émergence d'un nouveau domaine scientifique dans lequel les principes fondamentaux de la théorie du contrôle peuvent être appliqués pour contrôler et réguler de manière externe les bioprocessus cellulaires : la cybernétique. Jusqu'à présent, la cybernétique a été capable de contrôler avec succès des réseaux génétiques complexes, multi-stables et adaptatifs au niveau de la population et de la cellule unique, mais les défis du contrôle de systèmes biologiques de type multi-agent composés de multiples composants interactifs n'ont pas encore été relevés. Dans cette étude, nous nous sommes concentrés sur des colonies denses d'E. coli, semblables à des biofilms, qui ont été cultivées à l'intérieur d'un dispositif microfluidique multicouche dont la géométrie permet la croissance des colonies dans une seule direction. De même que pour les biofilms, il est largement connu que les colonies denses d'E.coli présentent des niveaux remarquables d'organisation spatiale qui sont la conséquence de l'interaction complexe entre les gradients nutritifs et chimiques et les interactions métaboliques entre les différentes couches de la colonie. Ces interactions rendent les colonies denses et les biofilms plus résistants aux traitements antimicrobiens, ce qui les rend difficiles à éradiquer. La question de savoir si et dans quelle mesure nous pouvons contrôler ce système de l'extérieur reste ouverte. Pour répondre à cette question, nous avons d'abord analysé quantitativement les modèles de croissance à l'intérieur de la colonie pour comprendre la dynamique du système. Nous avons utilisé trois stratégies différentes pour perturber la colonie et voir l'impact sur les modèles de croissance spatiale - la modulation de l'ARN polymérase par un promoteur inductible et la modulation biochimique des ressources cellulaires par des changements de nutriments et des antibiotiques. Comme les cellules ne sont pas mobiles, la vitesse d'invasion de la colonie peut être considérée comme un descripteur global de la dynamique de croissance spatiale de la colonie. En gardant cela à l'esprit, nous avons finalement utilisé la compréhension de la dynamique des systèmes, la connaissance de la réponse des colonies à divers stimuli et une plateforme de contrôle faite sur mesure pour contrôler de manière externe la vitesse d'invasion de la colonie.