External real time control of E.coli range expansion - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2023

External real time control of E.coli range expansion

Contrôle externe en temps réel de l'expansion des colonies d'E.coli

Dimitrije Milunov

Résumé

Advances in microfluidics, sensory technology and synthetic and molecular biology enabled the rise of a novel scientific field in which fundamentals of control theory can be applied to externally control and regulate cellular bioprocesses-cybergenetics. So far, cybergenetics was able to successfully control complex multi-stable and adaptive gene networks at the population and the single cell level, but challenges in the control of biological multiagent-like system composed of multiple interactive components have not yet been addressed. In this study we focused on dense biofilm like colonies of E.coli which were grown inside the multilayered microfluidic device whose geometry enabled the growth of the colonies in one direction. Similarly to biofilms, it is widely known that dense E.coli colonies exhibit remarkable levels of spatial organization that come as a consequence of the complex interplay between nutrient and chemical gradients and metabolic interactions between different layers of the colony. These interactions make both dense colonies and biofilms more resistant to antimicrobial agents treatment consequently making them difficult to eradicate. Thus can we and at which extent we could externally control this system remains an open question. To answer this we firstly quantitively analyzed the growth patterns inside the colony to understand the dynamics of the system. We used three different strategies to perturb the colony and to see the impact on the spatial growth patterns - modulation of RNA polymerase by inducible promoter and biochemical modulation of the cellular resources by nutrient change and antibiotics. Since the cells were nonmotile, the invasion speed of the colony could be regarded as a global descriptor of the colony spatial growth dynamics. Thus having this in mind we finally used the understanding of the systems dynamics, knowledge of colonies response to various stimulus and a custom made control platform to externally control the invasion speed of the colony.
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.
Fichier principal
Vignette du fichier
va_Milunov_Dimitrije.pdf (9.06 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04544256 , version 1 (12-04-2024)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04544256 , version 1

Citer

Dimitrije Milunov. External real time control of E.coli range expansion. Biochemistry, Molecular Biology. Université Paris Cité, 2023. English. ⟨NNT : 2023UNIP7078⟩. ⟨tel-04544256⟩
7 Consultations
0 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More