Description de la dynamique de l'horloge circadienne des cyanobactéries sous entraînement par un modèle d'oscillateur de phase

par Christoph Weiss-Schaber

Thèse de doctorat en Physique pour les sciences du vivant

Sous la direction de Irina Mihalcescu.

Soutenue en 2010

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale physique (Grenoble) .

mots clés

• Rythmes biologiques
• Cyanobactéries

Résumé

Les cyanobactéries sont les organismes les plus simples connus possédant une horloge circadienne. Cette horloge produit des rythmes stables, dont la période est proche à 24 heures et peut être entraînée à exactement 24h par des signaux externes, comme des cycles d'éclairage ou de température. Dans ce travail, nous montrons que cette horloge biologique se comporte comme un oscillateur de phase. De plus, sous influence d'un entraînement externe, son comportement peut être simplement décrit par le modèle d'Adler. Pour le montrer, nous avons réalisé des expériences sur des populations, en utilisant des cycles d'éclairage ou de température qui entraînent l'horloge circadienne à des phases différentes. Nous détaillons le montage expérimental qui permet de surveiller en permanence l'horloge circadienne de la cyanobactérie; et ce pendant plusieurs semaines consécutives. Nous montrons comment démasquer des perturbations supplémentaires du rapporteur de bioluminescence et nous quantifions la force de couplage entre l'horloge et l'entraînement externe. Par ajustement numérique des données expérimentales nous montrons que le modèle utilisé reproduit très bien le comportement observé. Via des simulations, nous cherchons les effets d'une distribution de phases initiales à l'intérieur de la population, ainsi que l'effet d'un bruit éventuel sur la phase ou d'une distribution des fréquences propres. Nous proposons également un nouveau concept pour les dispositifs à cellule unique pour observer plus en détailles effets du bruit sur cette horloge biologique. Ces dispositifs sont conçus pour des expériences là long terme (> 20 générations) d'observation de bactéries individuelles à l'intérieur d'une population.

Titre traduit

Dynamic Description of the circadian clock entrainment in cyanobacteria by a phase oscillator model

Résumé

Cyanobacteria are the simplest known organism with a circadjan clock. This clock produces stable rhythms with a period close to 24h and can be entrained to exactly 24h by external time cues like illumination or temperature cycles. Ln this work we show that this biological clock behaves like a phase oscillator. Furthermore its behaviour under the influence of an external entrainment can be discribed by the simple Adler mode!. For this we performed experiments on populations and used either illumination or temperature cycles to entrain the circadian clock to different phases. We detail the experiment set-up that allows to monitor the circadian clock of the bacteria continuously over 2 weeks, show how to unmask additional perturbation of the bioluminescence reporter and quantify the coupling strength between the clock and the external extrainment. Fitting the model to the experimental data we show that it indeed reproduces very weIl the observed behaviour. Via simulations we infer into the effects of a distribution of initial phases inside the populations, as weIl as the effect of possible noise on the phase or a distribution of proper frequencies. We also propose a new concept for single cell devices to infer further the effect of noise on this biological clock. These devices are designed for long term (>20 generations) observation of individual bacteria inside a population.