Modelling and inference for biological systems : from auxin dynamics in plants to protein sequences.

par Silvia Grigolon

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Olivier C. Martin et de Silvio Franz.

Le président du jury était Teva Vernoux.

Le jury était composé de Olivier C. Martin, Silvio Franz, Teva Vernoux, Antonio Celani, Martin Weigt, Olivier Rivoire, Mustonen Ville.

Les rapporteurs étaient Antonio Celani, Martin Weigt.

  • Titre traduit

    Modélisation et inférence de systèmes biologiques : de la dynamique de l’auxine dans les plantes aux séquences des protéines


  • Résumé

    Tous les systèmes biologiques sont formés d’atomes et de molécules qui interagissent et dont émergent des propriétés subtiles et complexes. Par ces interactions, les organismes vivants peuvent subvenir à toutes leurs fonctions vitales. Ces propriétés apparaissent dans tous les systèmes biologiques à des niveaux différents, du niveau des molécules et gènes jusqu’aux niveau des cellules et tissus. Ces dernières années, les physiciens se sont impliqués dans la compréhension de ces aspects particulièrement intrigants, en particulier en étudiant les systèmes vivants dans le cadre de la théorie des réseaux, théorie qui offre des outils d’analyse très puissants. Il est possible aujourd’hui d’identifier deux classes d’approches qui sont utilisée pour étudier ces types de systèmes complexes : les méthodes directes de modélisation et les approches inverses d’inférence. Dans cette thèse, mon travail est basé sur les deux types d’approches appliquées à trois niveaux de systèmes biologiques. Dans la première partie de la thèse, je me concentre sur les premières étapes du développement des tissus biologiques des plantes. Je propose un nouveau modèle pour comprendre la dynamique collective des transporteurs de l’hormone auxine et qui permet la croissance non-homogène des tissu dans l’espace et le temps. Dans la deuxième partie de la thèse, j’analyse comment l’évolution contraint la diversité́ de séquence des protéines tout en conservant leur fonction dans différents organismes. En particulier, je propose une nouvelle méthode pour inférer les sites essentiels pour la fonction ou la structure de protéines à partir d’un ensemble de séquences biologiques. Finalement, dans la troisième partie de la thèse, je travaille au niveau cellulaire et étudie les réseaux de signalisation associés à l’auxine. Dans ce contexte, je reformule un modèle préexistant et propose une nouvelle technique qui permet de définir et d’étudier la réponse du système aux signaux externes pour des topologies de réseaux différentes. J’exploite ce cadre théorique pour identifier le rôle fonctionnel de différentes topologies dans ces systèmes.


  • Résumé

    All biological systems are made of atoms and molecules interacting in a non- trivial manner. Such non-trivial interactions induce complex behaviours allow- ing organisms to fulfill all their vital functions. These features can be found in all biological systems at different levels, from molecules and genes up to cells and tissues. In the past few decades, physicists have been paying much attention to these intriguing aspects by framing them in network approaches for which a number of theoretical methods offer many powerful ways to tackle systemic problems. At least two different ways of approaching these challenges may be considered: direct modeling methods and approaches based on inverse methods. In the context of this thesis, we made use of both methods to study three different problems occurring on three different biological scales. In the first part of the thesis, we mainly deal with the very early stages of tissue development in plants. We propose a model aimed at understanding which features drive the spontaneous collective behaviour in space and time of PINs, the transporters which pump the phytohormone auxin out of cells. In the second part of the thesis, we focus instead on the structural properties of proteins. In particular we ask how conservation of protein function across different organ- isms constrains the evolution of protein sequences and their diversity. Hereby we propose a new method to extract the sequence positions most relevant for protein function. Finally, in the third part, we study intracellular molecular networks that implement auxin signaling in plants. In this context, and using extensions of a previously published model, we examine how network structure affects network function. The comparison of different network topologies provides insights into the role of different modules and of a negative feedback loop in particular. Our introduction of the dynamical response function allows us to characterize the systemic properties of the auxin signaling when external stimuli are applied.


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