Abstract :
[en] Microbial populations are ubiquitous in our environment and are involved in a wide variety of applications, from food production to human health and bioproduction. However, they are often heterogeneous or unstable, with different phenotypes and genotypes coexisting in the same population and evolving over time.
The behaviour of these populations has been linked to the fitness of its constituent phenotypes and genotypes. This was observed in various systems, both natural, such as the sporulation system of Bacillus subtilis, and synthetic, such as Escherichia coli BL21 with a T7 production system. In this thesis, the links between fitness, heterogeneity and stability are explored and challenged with an additional synthetic toggle switch system, specifically designed to create a fitness cost without any other known biological interactions.
The various systems are studied in continuous culture with the help of automated flow cytometry, which allows for the measurement and control of the phenotypes of a microbial population in real time. In addition, several mathematical and computational tools are developed to analyse the data and study the underlying mechanisms of the population dynamics. The results show how the decreased fitness of some phenotypes can directly lead to both heterogeneity and instability, and why the result can be independent of the specific biological system, and caused instead by the interactions between the microbes and their environment.
[fr] Les populations microbiennes sont omniprésentes dans notre environnement et interviennent dans une grande variété d’applications, de la production alimentaire à la santé humaine en passant par la bioproduction. Cependant, elles sont souvent hétérogènes ou instables, avec différents phénotypes et génotypes coexistant au sein d’une même population et évoluant au fil du temps.
Le comportement de ces populations a été associé à l’aptitude de leurs phénotypes et génotypes à survivre dans leur environnement. Ceci a été observé dans divers systèmes, tant naturels, comme le système de sporulation de Bacillus subtilis, que synthétiques, comme E. coli BL21 avec un système de production T7. Dans cette thèse, les liens entre aptitude de survie, hétérogénéité et stabilité sont explorés, notamment à l’aide d’un toggle switch génétique synthétique spécialement conçu pour créer une diminution d’aptitude sans aucune autre interaction biologique connue.
Les différents systèmes sont étudiés en culture continue à l’aide de cytomètrie en flux automatisée, qui permet de mesurer et de contrôler les phenotypes d’une population microbienne en temps réel. En outre, plusieurs outils mathématiques et informatiques sont développés pour analyser les données et étudier les mécanismes menant aux dynamiques de population observées. Les résultats montrent comment la diminution de l’aptitude de survie de certains phénotypes peut directement conduire à l’hétérogénéité et à l’instabilité de la population indépendemment du système biologique étudié, et pourquoi les interactions entre les microbes et leur environnement sont déterminantes.
