Investigating host-microbiota cooperation with gap-filling optimization problems

par Clémence Frioux

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Anne Siegel.

  • Titre traduit

    Étude de la coopération hôte-microbiote par des problèmes d'optimisation basés sur la complétion de réseaux métaboliques


  • Résumé

    La biologie des systèmes intègre données et connaissances par des méthodes bioinformatiques, afin de mieux appréhender la physiologie des organismes. Une problématique est l’applicabilité de ces techniques aux organismes non modèles, au centre de plus en plus d’études, grâce aux avancées de séquençage et à l’intérêt croissant de la recherche sur les microbiotes. Cette thèse s’intéresse à la modélisation du métabolisme par des réseaux, et de sa fonctionnalité par diverses sémantiques basées sur les graphes et les contraintes stoechiométriques. Une première partie présente des travaux sur la complétion de réseaux métaboliques pour les organismes non modèles. Une méthode basée sur les graphes est validée, et une seconde, hybride, est développée, en programmation par ensembles réponses (ASP). Ces complétions sont appliquées à des réseaux métaboliques d’algues en biologie marine, et étendues à la recherche de complémentarité métabolique entre Ectocarpus siliculosus et une bactérie symbiotique. En s’appuyant sur les méthodes de complétion, la seconde partie de la thèse vise à proposer et implémenter une sélection de communautés à l’échelle de grands microbiotes. Une approche en deux étapes permet de suggérer des symbiotes pour l’optimisation d’un objectif donné. Elle supporte la modélisation des échanges et couvre tout l’espace des solutions. Des applications sur le microbiote intestinal humain et la sélection de bactéries pour une algue brune sont présentées. Dans l’ensemble, cette thèse propose de modéliser, développer et appliquer des méthodes reposant sur des sémantiques de graphe pour élaborer des hypothèses sur le métabolisme des organismes.


  • Résumé

    Systems biology relies on computational biology to integrate knowledge and data, for a better understanding of organisms’ physiology. Challenges reside in the applicability of methods and tools to non-model organisms, for instance in marine biology. Sequencing advances and the growing importance of elucidating microbiotas’ roles, have led to an increased interest into these organisms. This thesis focuses on the modeling of the metabolism through networks, and of its functionality using graphs and constraints semantics. In particular, a first part presents work on gap-filling metabolic networks in the context of non-model organisms. A graph-based method is benchmarked and validated and a hybrid one is developed using Answer Set Programming (ASP) and linear programming. Such gap-filling is applied on algae and extended to decipher putative interactions between Ectocarpus siliculosus and a symbiotic bacterium. In this direction, the second part of the thesis aims at proposing formalisms and implementation of a tool for selecting and screening communities of interest within microbiotas. It enables to scale to large microbiotas and, with a two-step approach, to suggest symbionts that fit the desired objective. The modeling supports the computation of exchanges, and solving can cover the whole solution space. Applications are presented on the human gut microbiota and the selection of bacterial communities for a brown alga. Altogether, this thesis proposes modeling, software and biological applications using graph-based semantics to support the elaboration of hypotheses for elucidating the metabolism of organisms.


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