Motilité individuelle et collective chez les systèmes microbiens : biofilms bactériens et dispersion de spores fongiques

par Martina Iapichino

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Agnese Seminara.

Soutenue le 25-07-2019

à l'Université Côte d'Azur (ComUE) , dans le cadre de École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice) , en partenariat avec Université de Nice (1965-2019) (établissement de préparation) , Institut de Physique de Nice (laboratoire) et de Institut de Physique de Nice (laboratoire) .

Le président du jury était Magali Ribot.

Le jury était composé de Magali Ribot, Nelly Henry, Eric Raspaud, Fabien Halkett, Sigolène Lecuyer, Anne Pringle, Philippe Thomen.

Les rapporteurs étaient Nelly Henry, Eric Raspaud.

mots clés

• Biofilm bactérien
• Gradient de pression osmotique
• Millifluidique
• Champignons
• Décharge des spores
• Biomécanique
• Biofilms
• Cellules -- Motilité
• Osmose
• Millifluidique
• Champignons
• Spores -- Dissémination
• Biomécanique

Résumé

Le but de cette thèse est de développer des expériences pour comprendre la physique de la motilité dans deux systèmes microbiens, vivant dans le domaine du faible nombre de Reynolds, c’est-à-dire lorsque les forces visqueuses l’emportent sur les forces d’inertie. La première partie de la thèse traite de la croissance de biofilms bactériens sur une surface solide. Les biofilms bactériens sont des communautés de cellules étroitement empilées dans une matrice polymère. Du point de vue physique, ces colonies se comportent comme des gels et la matrice polymérique crée des flux osmotiques qui permettent aux biofilms de se développer et de se déplacer sur une surface en tant que communauté. Ici, je développe une expérience pour explorer la motilité collective des biofilms au contact de gradients externes de pression osmotique. Pour produire des gradients osmotiques stables dans des gels d’agar, je développe une configuration sur mesure au moyen de techniques de millifluidique. Les biofilms répondent au gradient externe en développant une forme asymétrique, conforme aux attentes. La deuxième partie de la thèse aborde le mécanisme de décharge des spores chez les basidiomycètes à phylum fongique. Chez ces espèces, une goutte coalesce avec la spore, ce qui entraîne son écoulement à des accélérations énormes. Cette catapulte à tension superficielle atteint son efficacité maximale lorsque la taille de la goutte est comparable à celle de la spore. J’étudie les morphologies de plusieurs champignons branchiaux, où les spores sont conditionnées à la surface de branchies complexes. Je trouve que pour ces espèces, si les spores sont emballées au maximum comme il est généralement supposé, la taille de la goutte qui coalesce avec la spore doit être bien contrôlée. Cela pose la question de comment est-ce que le champignon peut contrôler un processus purement extracellulaire, face aux fluctuations environnementales.

mots clés

• Bacterial biofilm
• Osmotic pressure gradient
• Millifluidics
• Fungi
• Spore discharge
• Biomechanics

Titre traduit

Individual and collective motility in microbial systems : bacterial biofilms and fungal spore dispersal

Résumé

The aim of this thesis is to develop experiments to understand the physics of motility in two microbial systems, living in the realm of low Reynolds number, i.e. when viscous forces dominate over inertial forces. The first part of the thesis discusses the growth of bacterial biofilms over a solid surface. Bacterial biofilms are communities of cells closely packed together inside a polymeric matrix. From the physical viewpoint, these colonies behave as gels and the polymeric matrix creates osmotic fluxes that enable biofilms to grow and move on a surface as a community. Here I develop an experiment to explore biofilm collective motility in contact with external gradients of osmotic pressure. To produce stable osmotic gradients in agar gels, I develop a custom-made setup through millifluidics. Biofilms respond to the external gradient by developing an asymmetric shape, consistent with the expectations. The second part of the thesis discusses the spore discharge mechanism in the fungal phylum Basidiomycetes. In these species, a drop coalesces with the spore, which results in spore discharge at enormous accelerations. This surface tension catapult reaches its maximum efficiency when the size of the drop is comparable to that of the spore. I study morphologies of several gilled mushrooms, where spores are packaged at the surface of complex shaped gills. I find that for those species, drop size must be precisely controlled. This poses the question of how mushrooms may regulate a process that occurs extracellularly, despite fluctuating physical conditions.