Exploration lagrangienne des environnements complexes par les micro-organismes : suivi Lagrangien de E. coli motiles sous confinement et pénétration de la barrière de mucus

Exploration of complex environments by microorganisms : application to motile E. coli under confinement and penetration of a gut mucus barrier

• Auteur / Autrice : Renaud Baillou
• Direction : Éric Clément, Karine Clément
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 23/11/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et mécanique des milieux hétérogènes (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Maria Barbi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Bonin, Marianne Grognot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eric Grelet, Charles Baroud

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Muqueuse intestinale

Lagrange, Spectre de

Biophysique

Escherichia coli

Microorganismes

Mots clés libres

Micro-nageur

Mucus intestinal

Rhéologie

Confinement

Suivi lagrangien

Processus d'exploration

Micro-swimmer

Intestinal mucus

Rheology

Confinement

Lagrangian tracking

Exploration process

Résumé

Les micro-organismes sont omniprésents sur Terre. Ils ont développé l'autopropulsion pour explorer leur environnement et coloniser de nouvelles niches écologiques. Certains d'entre eux sont pathogènes et déclenchent des inflammations lorsqu'ils entrent en contact avec des cellules épithéliales. Alors que la nature hydrodynamique de leur mouvement est plutôt bien comprise dans les fluides newtoniens, il reste encore beaucoup à comprendre lorsqu'ils interagissent mécaniquement avec leur environnement, soit par la présence d'obstacles géométriques, soit en raison de la nature non-newtonienne de leur milieu de nage. Dans cette thèse, nous examinons la motilité des micro-nageurs bactériens (E. coli) dans deux conditions physiologiques, particulièrement pertinentes dans le contexte biophysique des infections bactériennes à travers le mucus intestinal : premièrement dans le cas d'une géométrie confinée entre deux surfaces parallèles, et deuxièmement dans du mucus intestinal d'origine animale. Tout d'abord, nous réalisons des expériences à l'aide d'un dispositif de suivi, dit "Lagrangien", qui nous permet de capturer les trajectoires des bactéries tout en visualisant leur corps et leurs flagelles pendant plusieurs centaines de secondes. Nous l'utilisons pour comprendre les effets des surfaces lorsqu'elles explorent un environnement confiné. Le confinement ralentit la propagation d'E. coli en les piégeant sur les surfaces et en interrompant les "runs" qu'elles effectuent depuis l'environnement 3D. Les résultats expérimentaux sont rationalisés à l'aide d'un modèle stochastique qui rend compte de la dynamique interne complexe à l'origine des réorientations actives d'E. coli. Le mouvement sur les surfaces est spécifiquement étudié, et la variabilité interindividuelle observée dans les propriétés de nage est questionnée sous le prisme de leurs morphologies, en particulier leur nombre de flagelles. Nous nous attachons ensuite à comprendre le mouvement d'E. coli dans du mucus intestinal, qui est extrait de deux groupes différents de porcelets que nous comparons. Après un processus de purification, les différents échantillons sont caractérisés par une expérience in vitro originale dans laquelle des bactéries ont pénétré une barrière de mucus, d'où émerge une "longueur de pénétration" caractérisant une "qualité de mucus", complétée par des mesures rhéologiques et optiques. La longueur de pénétration varie de 100 à 1000 microns selon l'échantillon et semble dépendre davantage de la taille de la structure que de la macro-rhéologie. Des signatures rhéologiques différentes sont observées, avec ou sans l'influence de l'histoire du cisaillement. Cette étude préliminaire offre de nombreuses perspectives, à la fois physiques (microscopie OCT / diffusion des rayons X / microrhéologie) et médicales (outil de diagnostic pour les patients / utilisation de souches bactériennes sélectionnées). Pour obtenir une vision temporelle du processus de pénétration, l'apprentissage automatique est finalement utilisé pour étendre l'utilisation du dispositif de suivi lagrangien aux fluides optiquement complexes, avec succès pour le mucus. Il est démontré que les bactéries explorent le mucus dix fois plus lentement que l'eau et qu'elles sont bloquées au bout de quelques minutes. Les résultats et les protocoles expérimentaux développés dans cette thèse étendent l'état de l'art sur le sujet des micro-nageurs en termes méthodologiques, tout en fournissant de nouvelles données sur les schémas de nage et la pénétration dans les fluides viscoélastiques.

Microorganisms are ubiquitous on Earth. They developed self-propulsion to explore their environment and colonize new ecological niche. Some of them are pathogens and trigger inflammation when in contact with epithelial cells. While the hydrodynamical nature of their motion is rather well understood in Newtonian fluids, there is still much to understand when they interact mechanically with their environment either through the presence of geometric obstacles or stemming from the non-Newtonian nature of their swimming environments. In this thesis, we take a look at the motility of bacterial microswimmers (E. coli) under two physiologically conditions, especially relevant in the biophysical context of bacterial infections through intestinal mucus: firstly in the case of a confined geometry between two parallel surfaces, and secondly in intestinal mucus of animal origin. First, we perform experiments with E. coli using an in-house tracking device that allows us to capture the trajectories of bacteria while visualizing their bodies and flagella for long periods of time. We use it to understand the effects of surfaces as they explore a confined environment. Confinement slows the spread of E. coli by trapping them on surfaces and interrupting the "runs" they take from the bulk. Experimental results are rationalized with a stochastic model that accounts for the complex internal dynamics that result in active reorientations of E. coli. The motion at surfaces is specifically studied, and the interindividual variability observed in the swimming properties is questioned under the prism of their morphologies, especially their number of flagella. We then turn to understanding the movement of E. coli in intestinal mucus, which is extracted from two different groups of piglets that are compared. After a purification process, the different samples are characterized by an original in vitro experiment in which bacteria have penetrated a mucus barrier, from which emerges a "penetration length" characterizing a "mucus quality", complemented by rheological and optical measurements. The penetration length ranges from 100 to 1000 microns depending on the sample and seems to depend more on the structure size than on the macrorheology. Different rheological signatures are observed with and without the influence of the shear history. This preliminary study offers many perspectives, both physical (OCT microscopy / X-ray scattering / microrheology) and medical (diagnostic tool for patients / use of selected bacterial strains). To get a temporal view of the penetration process, machine learning is finally used to extend the use of the Lagrangian tracking device to optically complex fluids, successfully implemented for mucus. Bacteria are shown to explore mucus ten times slower than water, and to get blocked after a few minutes. The results and experimental protocols developed in this thesis extend the state-of-the-art on the subject of microswimmers in methodological terms, while also providing some new data on swimming patterns and penetration into viscoelastic fluids.