Characterization of the role of energetic metabolism of yeast upon the mechanics of its wall and it growth in population
Etude de l'impact du métabolisme énergétique de la levure sur la mécanique de sa paroi et sur sa croissance en population
Abstract
The fundamental motivation of this thesis is to understand how the mechanics of an individual cell will condition the behavior of a population of cells and its temporal evolution. In order to answer this question, we have chosen to work on the yeast Saccharomyces cerevisiae which is a unicellular eukaryotic organism belonging to the fungi kingdom. Like plant cells and bacteria, this yeast has a rigid cell wall that plays an important role in the mechanics of the cell as well as a major mechanical function in the ability of this organism to form biofilms. This wall is a dynamic structure that is continuously remodeled by the cell during its growth and according to its environment. To produce the biomass necessary for its division, S.cerevisiae is able to adapt the intracellular biochemical processes (metabolism) according to the carbon source available. By adapting the metabolic fluxes of the biochemical pathways involved in energy production as well as in the biosynthesis of cellular components, the cells individually condition the temporal evolution of the whole. Moreover, the metabolic activity of the cell influences the dynamics of cell wall constitution, and thus the mechanics of the cell wall. Our goal is to identify how energy metabolism in yeast influences its population growth and to determine whether growth dynamics are reflected in its wall mechanics. The first chapter of my thesis serves as an introduction and we discuss the background of this study in more depth, highlighting the value of using the yeast model. The second chapter focuses on the growth of S.cerevisiae in population. For this purpose, we performed an experimental study of the proliferation of yeast in the presence of three carbonaceous substrates (glucose, galactose and lactate) selected to target different types of metabolism. This monitoring of the temporal evolution of yeast populations required the design of a bioreactor equipped with a real-time photometric reading of biomass production through a fluidic bypass. Using numerical identification procedures of selected growth patterns, we extracted the characteristic times of the different growth phases and the associated proliferation rates as a function of metabolism. These results quantitatively show differences in the growth behavior of yeast as a function of metabolism during and after the exponential growth phase. We were also able to highlight particular growth behaviors preceding the stationary phase of growth that are not taken into account by classical microbial growth models. The third chapter is dedicated to the mechanics of the cell wall. Monitoring of the cell wall mechanics by compression measurements was carried out over several days in parallel with the bioreactor cultures. Compression measurements were performed at different speeds with an atomic force microscope (AFM) using flat levers. By analyzing the nature of the nonlinearity of the force-displacement curves, we were able to extract several mechanical parameters, including an effective cell wall tension and the viscous loss coefficient. Through the study of the viscous loss coefficient, we showed that the cell wall behaves like an elastic material. We also observed a significant increase in the effective tension of the cell wall after the exponential growth phase. The statistics achieved (number of cells probed) as well as the rigorous control of the physiological state of the yeast during the AFM experiments are the originality of the work carried out during this thesis. The fourth chapter describes the experimental methods used in the previous chapters. In the fifth part, we conclude that the effective tension of the cell wall is indeed linked to the population dynamics which itself depends on the metabolism of the yeast. A study of the mechanics of yeast populations assembled in a biofilm should allow us to understand to what extent the mechanics of individual cells condition the physical properties of a cell tissue
La motivation fondamentale de cette thèse est de comprendre comment la mécanique d'un individu cellulaire va conditionner le comportement d'une population de cellules et son évolution temporelle. Afin de répondre à cette question, nous avons choisi de travailler sur la levure Saccharomyces cerevisiae qui est un organisme eucaryote unicellulaire. Cette levure possède une paroi cellulaire rigide qui occupe un rôle important dans la mécanique de la cellule ainsi qu'une fonction mécanique majeure dans la capacité de cet organisme à former des biofilms. Cette paroi est une structure dynamique qui est continuellement remodelée par la cellule au cours de sa croissance en fonction de son environnement. Pour se diviser, S.cerevisiae est capable d'adapter les processus biochimiques intracellulaires (métabolisme) en fonction de la source carbonée dont elle dispose. En adaptant les flux métaboliques impliquées dans la production d'énergie ainsi que dans la biosynthèse de la paroi, les cellules conditionnent l'évolution temporelle de toute la population. De plus, l'activité métabolique de la cellule influe sur la dynamique de constitution de la paroi cellulaire, et donc sur sa mécanique. Notre objectif est d'identifier comment le métabolisme énergétique de la levure influence sa croissance en population et de déterminer si les dynamiques de croissance se reflètent sur la mécanique de sa paroi. Le premier chapitre de ma thèse fait office d'introduction et nous y soulignons l'intérêt d'utiliser le modèle levure. Le second chapitre est centré sur la croissance de S.cerevisiae en population. Nous avons réalisé des mesures de la prolifération des levures en présence de trois substrats carbonés (glucose, galactose et lactate) sélectionnés pour cibler des types de métabolismes différents. Ce suivi de l'évolution temporelle des populations de levure a nécessité la conception d'un bioréacteur équipé d'un système de lecture en temps réel de la production de biomasse par photométrie, grâce à une dérivation fluidique. En utilisant des procédures d'identification numérique de modèles de croissance retenus, nous avons extrait les temps caractéristiques des différentes phases de croissances et les taux de prolifération associés en fonction du métabolisme. Ces résultats montrent quantitativement des différences au niveau du comportement de croissance des levures en fonction du métabolisme pendant et après la phase exponentielle de croissance. Nous avons également pu faire ressortir des comportements de croissance particuliers précédant la phase stationnaire de croissance qui ne sont pas pris en compte par des modèles classiques de croissance microbienne. Le troisième chapitre est dédié à la mécanique de la paroi cellulaire. Des suivis de la mécanique de la paroi par des mesures de compression ont été menés sur plusieurs jours en parallèle des cultures en bioréacteur. Les mesures de compression ont été effectuées à différentes vitesses grâce à un microscope à force atomique (AFM) en utilisant des leviers plats. En analysant la nature de la non-linéarité des courbes de force-déplacement, nous avons pu extraire plusieurs paramètres mécaniques, dont une tension effective de la paroi cellulaire et le coefficient de perte visqueuse. À travers l'étude du coefficient de perte visqueuse, nous avons montré que la paroi cellulaire se comporte comme un matériau élastique. Nous avons également observé une augmentation significative de la tension effective de la paroi cellulaire après la phase exponentielle de croissance. La statistique atteinte (nombre de cellules sondées) ainsi que le contrôle rigoureux de l'état physiologique des levures au cours des expériences AFM font l'originalité du travail mené au cours de cette thèse. Le quatrième chapitre décrit les méthodes expérimentales. Dans la cinquième partie, nous concluons sur le fait que la tension effective de la paroi cellulaire est effectivement liée à la dynamique de population et au métabolisme de la levure
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