Mots-Clés

métabolisme bactérie FBA endosymbiote réseau métabolique évolution insecte biologie des systèmes modélisation mathématique

Description

Modélisation métabolique de l’émergence du caractère altruiste chez les bactéries endosymbiotiques.

Profil souhaité

Le projet est très transversal, il peut convenir à des formations diverses (biologie des systèmes ou bioinformatique ou biologie/biochimie/écologie). L’important est d’avoir à la fois un attrait pour des « questions » biologiques (métabolisme, évolution) et l’envie de découvrir des méthodologies mathématiques permettant de les aborder. Le sujet sera adapté selon le niveau de l'étudiant (M1 ou M2). Les dates de début et de fin sont flexibles.

Encadrants

Référent principal : Léo GERLIN, Chargé de Recherche, INRAE, leo.gerlin@insa-lyon.fr ;
Co-encadrant : Hubert CHARLES, Professeur des Universités, INSA ;
Support en bioinformatique : Patrice BAA-PUYOULET, Ingénieur d’Études, INRAE ;

Présentation du laboratoire

Le laboratoire BF2I développe des recherches en biologie fonctionnelle et systémique sur des insectes d'intérêt agronomique, dans le but de décrypter les bases moléculaires et cellulaires de leurs associations avec des bactéries symbiotiques. L'objectif finalisé est d’identifier des cibles qui nous permettent de déstabiliser l'équilibre symbiotique et ainsi de développer des approches de contrôle des ravageurs alternatives aux pesticides chimiques et respectueuses de la santé de l’Homme et des écosystèmes. Les compétences multidisciplinaires de BF2I (physiologie de l’insecte, biologie moléculaire, bioinformatique, biologie des systèmes) sont centrées autour du bactériocyte, la cellule qui contient les bactéries symbiotiques chez les insectes, que nous étudions en considérant ses relations avec les autres tissus de l’insecte, dans une vision organismique d’étude de la symbiose. Le laboratoire est expert de l’étude des bases trophiques des symbioses chez différents ravageurs, et a réalisé des reconstructions du métabolisme intégré hôtes-bactéries. Le laboratoire a maintenant démarré un projet d’analyse quantitative des flux matière à l’interface plante – insecte – bactérie symbiotique. Ces approches seraient utilisées in fine pour développer des modèles prédictifs du comportement et de la physiologie des insectes vis-à-vis de la disponibilité en éléments nutritifs provenant des leurs bactéries symbiotiques et/ou de leur environnement.

Sujet de stage

Le métabolisme bactérien est majoritairement dédié à convertir des ressources nutritives en biomasse et donc à permettre une croissance optimale de la bactérie(1). Seule une faible fraction des ressources est utilisée pour produire d’autres composés (métabolites secondaires, co-produits du métabolisme…)(2). Pourtant, chez des bactéries symbiotiques intracellulaires, comme Buchnera aphidicola1, symbiote nutritionnel du puceron, une analyse des flux carbonés montre que seule une faible proportion du carbone assimilé est dédiée « égoïstement » à la biomasse bactérienne. La majeure partie de ce carbone est relarguée de manière altruiste pour fournir au puceron des éléments essentiels (vitamines, acides aminés essentiels ou leurs précurseurs) ou des métabolites que le puceron saurait assimiler (acétate, acides du cycle de Krebs). Ce phénomène est contre-intuitif d’un point de vue évolutif et est inexpliqué d’un point de vue quantitatif. La modélisation métabolique quantitative de la bactérie symbiotique Buchnera aphidicola a permis de formuler de nouvelles hypothèses permettant d’expliquer ce comportement altruiste, et de le relier à l’érosion très marquée du génome de la bactérie. Des pistes similaires émergent chez une bactérie symbiotique de l’aleurode, un insecte au mode de vie proche du puceron(3).

L’étudiant·e aura pour projet d’étudier ces hypothèses en construisant et modélisant des scénarios de réduction métabolique. Comme point de départ, une bactérie aux capacités métaboliques versatiles (Escherichia coli) sera utilisée(4). L’étudiant·e appliquera à cette bactérie les contraintes qu’une internalisation dans les cellules d’un insecte implique, et analysera de manière quantitative leur impact sur l’émergence d’un comportement altruiste. Le projet de stage comprendra donc : i) une prise en main des modèles métaboliques d’ Escherichia coli et de Buchnera aphidicola, ii) une adaptation de celui d’E. coli à un environnement intracellulaire, iii) une construction d’un scénario in silico de réduction métabolique, iv) une rédaction et optimisation du code, v) la réalisation des simulations et vi) des analyses statistiques et quantitatives des solutions obtenues. 

Le sujet permettra à l’étudiant·e d’acquérir des compétences solides en modélisation métabolique, et des connaissances sur la structure du métabolisme bactérien, précieuses dans de nombreux domaines (biotechnologies, environnement, santé). Le thème abordé est fondamental, mais s’inscrit dans un projet plus large de modélisation des flux à l’interface plante – puceron – symbiote lié à des questions environnementales. Il constitue pour le laboratoire un prérequis pour la modélisation fine de l’interaction puceron – symbiote.

Pour plus d’informations

https://bioinfo-fr.net/flux-balance-analysis-ou-la-simulation-du-metabolisme-dune-cellule
https://bf2i.insa-lyon.fr/fr/content/thematique-de-recherche

Pour candidater, merci d’envoyer à leo.gerlin@insa-lyon.fr :

• Votre CV (1 à 2 pages)
• Une lettre de motivation détaillant vos intérêts pour ce stage (1 à 2 pages)`

Vous êtes invité·e à ne pas attendre la date limite de candidature : des entretiens et une sélection de l'étudiant·e pourra être réalisée dès la mi-octobre.