Academic literature on the topic 'Cormophytes – Métabolisme – Modèles mathématiques'

Pour des missions spatiales de longue durée, les plantes supérieures doivent faire partie des systèmes de support-vie. Le projet Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA, alternative de système de support-vie micro-écologique) de l'Agence Spatiale Européenne est basé sur un système clos de support vie qui inclut, autour d'un compartiment consommateur, des compartiments microbiens et des plantes supérieures. Les plantes consomment les déchets pouvant être recyclés (les eaux usées et du CO2) et produisent de la nourriture fraîche, de l'eau potable et de l'oxygène pour l'équipage. Un des points clé pour ce type d'étude est le maintien d'un système qui assure le recyclage de tous les éléments C, H, O, N, S, P, ... C'est pourquoi la base de l'étude repose sur une modélisation des stœchiométries de conversion qui doit traduire les échanges de matière et d'énergie en fonction des limitations physiques qui sont les paramètres de contrôle du système. L'étape préliminaire a été d'établir un modèle métabolique de feuille (un sous-modèle du modèle biochimique), comprenant le métabolisme central et utilisant les techniques métaboliques d'analyse des modes élémentaires (EFMA) et d'analyse des flux métaboliques (MFA) associé à une vision intégrée de l'énergétique du métabolisme central. En l'absence de données expérimentales suffisantes, le modèle métabolique de feuille a été construit à partir de la composition de la biomasse référencée par le Département Américain de l'Agriculture (USDA) et validé avec les données expérimentales de laitues (Lactuca sativa) cultivées dans l'installation de recherche des systèmes à environnement contrôlé (CESRF) de l'Université de Guelph (Canada). Pour la première approche, le modèle est satisfaisant et prometteur ; il peut prédire la production de biomasse une fois connecté aux facteurs physiques de la croissance de plante (lumière, disponibilité en CO2 et en eau, ...) au cours du temps et à la composition de la biomasse. Cependant, nos résultats souffrent d'un manque de données pour vérifier les modèles métaboliques ; ainsi, différents types de mesures pour des prédictions plus précises sont proposés. Le futur modèle doit être en mesure de contrôler la croissance de la plante pour la survie des humains, connaissant les flux provenant des autres compartiments de la boucle MELiSSA. Par ailleurs, l'approche décrite ici peut être utilisée de manière plus générale pour tous types d'études et modélisations du métabolisme, en particulier pour étudier le fonctionnement simultané et/ou consécutif des métabolismes photosynthétique et respiratoire.

Dans cette étude, on développe un modèle théorique permettant l'étude de la contraction musculaire en relation avec l'état biochimique des cellules musculaires. Ce mémoire contient les rappels physiologiques essentiels, ainsi qu'un rappel des travaux antérieurs à partir desquels cette étude s'introduit de façon naturelle. L'étude est centrée sur les molécules contenant des liaisons phosphates riches en énergie. Les voies métaboliques de production et de consommation d'Adénosine TriPhosphate (ATP) sont incorporées dans un modèle du système cytosolique des composés phosphates riches en énergie (ou système énergie phosphate, comprenant les adénylates, la phosphocréatine, la créatine et le phosphate inorganique). Le modèle a une forme mathématique simple et permet de calculer les variations en fonction du temps du système énergie-phosphate au cours de transitions entre différents taux de travail musculaire. On valide le modèle par l'expérience en utilisant des mesures de la vitesse de consommation d'oxygène (Vo2) et de la concentration en phosphocréatine au cours de transitions repos-travail : ceci pour deux muscles différents. On peut alors utiliser le modèle pour prévoir les comportements transitoires au cours de transitions repos-travail. On utilise ensuite le modèle pour étudier la régulation in vivo de (Vo2). Enfin, on étudie l'effet tampon de la phosphocréatine sur les concentrations en adénylates au cours d'un protocole expérimental de stimulation par secousses

Le métabolisme des microorganismes est traditionnellement étudié à deux échelles: d’une part, à l’échelle locale, la description des réactions métaboliques et d’autre part, à l’échelle globale, l’étude de la physiologie de la cellule. Malgré des progrès technologiques récents facilitant les études à ces deux échelles, leur exploitation conjointe demeure complexe car le comportement physiologique de la cellule résulte de l’action coordonnée de nombreuses réactions. Les modèles mathématiques globaux du métabolisme ont toutefois récemment permis de relier ces deux échelles. Dans cette thèse, nous explorerons l’utilisation de ces modèles pour compléter la connaissance des réactions à l’aide d’une catégorie particulière de données d’échelle globale : les essentialités de gènes déterminées à partir des phénotypes de croissance de mutants de délétion. Nous nous appuierons pour cela sur la bactérie Acinetobacter baylyi ADP1. Après avoir présenté les développements effectués pour reconstruire un modèle global du métabolisme d’A. baylyi, nous montrerons que la confrontation entre phénotypes observés et phénotypes prédits permet de mettre en évidence des incohérences entre les deux échelles d’observations. Nous montrerons ensuite qu’une interprétation formelle de ces incohérences permet de corriger le modèle et d’améliorer la connaissance du métabolisme. Nous illustrerons ce propos en présentant les corrections que nous avons réalisées à l’aide de phénotypes de mutants d’A. baylyi. Enfin, dans une dernière partie, nous proposerons une méthode permettant d’automatiser la correction des incohérences causées par des erreurs d’association entre gènes et réactions<br>Microbial metabolism has traditionally been investigated at two different scales: the finest involves characterizing individually each reaction occurring in the cell; the largest focuses on global cell physiology. While both scales have recently benefited from technological advances, combining them remains, however, especially complex as the global physiological behavior of a cell results from the coordinated action of a large network of reactions. Mathematical modeling approaches have yet shown recently that genome-scale metabolic models could help in linking both scales. In this thesis, we explore the use of such models to expand the knowledge of reactions with a specific type of high-level data: gene essentiality data, assessed using growth phenotypes of deletion mutants. We will use as model organism the bacterium Acinetobacter baylyi ADP1, for which a genome-wide collection of gene deletion mutants has recently been created. Following a presentation of the key steps and developments that have been required to reconstruct a global metabolic model of A. baylyi, we will show that confronting observed and predicted phenotypes highlight inconsistencies between the two scales. We will then show that a formal interpretation of these inconsistencies can guide model corrections and improvements to the knowledge of metabolism. We will illustrate this claim by presenting model corrections triggered by A. baylyi mutant phenotypes. Finally, we will introduce a method that automates the correction of inconsistencies caused by wrong associations between genes and reactions

Cette thèse décrit une méthode pour développer un modèle du métabolisme carboné central chez la bactérie Escherichia coli afin de tester une stratégie de bio-ingénierie sur une souche pour laquelle la machinerie d'expression génique(GEM) est contrôlable. L'idée est de réorienter la machine cellulaire depuis sa croissance vers la production d'un composé industriellement intéressant. La bactérie ainsi contrôlée ne va plus maximiser sa croissance, ce qui rend le cadre de la "Flux balance analysis" inapproprié pour la modélisation; un modèle cinétique lui est préféré. Étant donné le nombre important de réactions présentes dans le réseau, un pipeline a été mis en place pour produire automatiquement les lois cinétiques à partir des stoechiométries de réaction. Dans ce contexte, une description précise des mécanismes de réaction est impossible ce qui m'a poussé à choisir des modélisations de type "convenience kinetic" pour les réactions réversibles ou "Michaelis-Menten" pour les irréversibles; dans les deux cas les réactants sont supposés indépendants. L'ajustement des paramètres cherche à s'accorder au mieux avec des valeurs à l'état stationnaire de flux et concentrations, des distributions a priori de paramètres construites à partir de la littérature ainsi que des données de dynamique pour des traceurs. La thèse met en avant l'importance d'intégrer ces dernières et décrit les différents temps qui caractérisent un tel système, notamment le temps de relaxation n'est pas toujours celui le plus lent. Pour finir le modèle optimisé est utilisé pour montrer qu'inhiber le GEM permet d'augmenter le rendement pour la production d'un métabolite cible<br>This thesis shows how to build a kinetic model the central carbon metabolism of the Escherichia coli bacterium to test a bioengineering strategy where the gene expression machinery (GEM) is controllable. The idea is to reorient the machinery from growth to the production of industrially interesting compounds. Because this controlled bacterium will no longer maximize growth, flux balance frameworks are inadequate and instead a kinetic modelling approach is necessary. Given the large number of reactions included i the network, a pipeline has been built to automatically generate kinetic laws from reaction stoichiometries. In this context a precise description of the reactional mechanism is impossible and I use the convenience kinetic framework for reversible reaction or Michaelis-Menten for irreversible ones; both are derived assuming independent reactants. The parameter fitting searches for the model that matches best the steady state conditions of concentration and flux, prior distributions for parameters built from literature data, and time course data for tracers. The thesis highlights the importance of including these time courses and of understanding the different characteristic times in such systems, the standard relaxation time not always being the longest characteristic time. Lastly, the optimised model is used to show that the yield o' a target metabolite is increased by down regulating the GEM

Les missions spatiales habitées de longue durée nécessitent des systèmes de support-vie efficaces recyclant l’air, l’eau et la nourriture avec un apport extérieur minimum en matière et énergie. L’air et l’eau peuvent être recyclés par des méthodes purement physico-chimiques, tandis que la production de nourriture ne peut être faite sans la présence d’organismes vivants. Le projet Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA, alternative de système de support-vie micro-écologique) de l’Agence Spatiale Européenne inclut des plantes supérieures cultivées dans une chambre close contrôlée, associée à d’autres compartiments microbiens. Le contrôle à long terme de la chambre de culture et du système de support-vie entier requiert des modèles prédictifs efficaces. Le bouclage du bilan massique et la prédiction de la réponse de la plante dans un environnement extraterrestre inhabituel mettent en avant l’importance de modèles mécanistes basés sur le principe des bilans de matière et d’énergie.Une étude bibliographique poussée a été réalisée afin de lister et analyser les modèles de croissance de plantes supérieures existants. De nombreux modèles existent, ils simulent la plupart des processus de la plante. Cependant aucun des modèles structurés globaux n’est suffisamment mécaniste ni équilibré en terme d’échange de masse pour une application dans un système de support-vie clos. Ainsi, une nouvelle structure est proposée afin de simuler tous les termes du bilan massique au niveau de la plante, en incluant les différentes échelles de l’étude : les processus généraux, l’échelle de l’organe et l’échelle de la molécule. Les résultats d’une première approche utilisant des lois physiques mécanistes simples pour les échanges de matière et d’énergie, une stoechiométrie unique pour la production de biomasse et quelques lois empiriques pour la prédiction des paramètres architecturaux sont illustrés et comparés avec des résultats expérimentaux obtenus dans un environnement contrôlé. Une analyse mathématique du modèle est réalisée et tous ces résultats sont discutés afin de proposer les prochaines étapes de développement. Ceci est décrit en détail pour l’inclusion de modèles de processus plus complexes dans les futures versions du modèle ; les expériences qui devraient être réalisées ainsi que les mesures nécessaires sont proposées. Ceci conduit à la description d’une nouvelle conception de chambre de culture expérimentale<br>For long-term manned space missions, it is necessary to develop efficient life support systems recycling air, water and food with a minimum supply of matter and energy. Air and water can be recycled from purely physico-chemical systems; however food requires se presence of living organisms. The Micro-Ecological Life Support System Alternative (MELiSSA) project of the European Space Agency includes higher plants grown in a closed and controlled chamber associated with other microbial compartments. The long-term control of the growth chamber and entire life support system requires efficient predictive models. The mass balance closure and the prediction in uncommon extraterrestrial environments highlight the importance of mechanistic models based on the mass and energy balances principles.An extensive bibliographic study has been performed in order to list and analyse the existing models of higher plant growth. Many models already exist, simulating most of the plant processes. However none of the global, structured models is sufficiently mechanistic and balanced in terms of matter exchange for an application in closed life support systems. Then a new structure is proposed in order to simulate all the terms of the mass balance at the plant level, including the different scales of study: general processes, organ scale and molecular scale. The results of the first approach using simple mechanistic physical laws for mass and energy exchange, a unique stoichiometry for biomass production and few empirical laws for the prediction of architectural parameters are illustrated and compared with experimental results obtained in a controlled environment. A mathematical analysis of the model is performed and all these results are discussed in order to propose further developments. This is described in detail for the implementation of more complex models of processes in the future model versions; the experiments that should be performed including the main measurements are proposed. This leads to the description of a new design of experimental growth chamber

L'adaptation des micro-organismes à leur environnement dépend à la fois de leurs aptitudes à faire face aux paramètres physico-chimiques propre au fromage et à dégrader les substrats présents dans le milieu, tout en étant en interaction avec d'autres espèces microbiennes. La maîtrise de la dynamique des populations reste un enjeu majeur dans le but de maîtriser les étapes de la fabrication du fromage. Cela permettrait, une fois la flore sélectionnée, de raccourcir le temps d'affinage de manière significative, tout en conservant, voire en améliorant les qualités organoleptiques et sanitaires du fromage. De nombreux travaux ont mis en évidence l'incapacité d'adaptation de la flore inoculée, qui se retrouve en compétition avec la flore indigène de l'environnement fromager. L'objectif de ce travail était de mieux comprendre le métabolisme adaptatif de la levure ubiquitaire du fromage Yarrowia lipolytica. Dans un premier temps, nous avons choisi d'étudier le métabolisme de la levure en mono-culture en se focalisant sur des voies métaboliques clés de l'affinage, le catabolisme du lactate et des acides aminés. La combinaison des techniques moléculaires, microbiologiques, biochimiques et protéomiques a permis de confirmer une réelle préférence de la levure pour les acides aminés, l'absence de ces derniers pouvant provoquer un état de stress oxydant chez Y. lipolytica. De plus, une corrélation entre la consommation d'acides aminés et la production/accumulation d'ammoniac par la levure a été mise en évidence. L'ammoniac aurait un rôle i) dans l'alcalinisation du milieu, une étape essentielle dans la fabrication du fromage pour l'implantation de la flore d'affinage acido-sensible ; ii) de molécule signal entre les levures. Dans un second temps, l'étude de la levure en interaction avec deux bactéries Lactococcus lactis et Staphylococcus xylosus a été réalisée. Une première étape a consisté à comprendre les phénomènes d'interactions dans un milieu chimiquement défini, par une approche ciblée (RT-PCR quantitative) sur des gènes impliqués dans des voies de dégradation du lactate, du pyruvate et des acides aminés. L'étude en culture mixte a permis de mettre en évidence des phénomènes d'interactions entre micro-organismes en termes de croissance, mais également de complémentarité métabolique. En effet, les principaux gènes impliqués dans le catabolisme des acides aminés sont réprimés chez la levure en présence de S. xylosus. De plus, l'expression de la lactate déshydrogénase de la levure est induite par la production de lactate par les deux bactéries. Dans une seconde étape, l'étude de la levure en co-culture a été réalisée dans un milieu modèle fromager, le rétentat. Afin d'obtenir une information complète de l'adaptation métabolique de la levure aux différentes associations, une approche globale par puce à ADN à été retenue. On observe un état de stress oxydatif chez la levure en présence de S. xylosus, ainsi qu'une modification du fonctionnement mitochondriale et de l'expression des gènes de la chaîne respiratoire.

L'assimilation des protéines du repas met en jeu une cascade d'événements métaboliques, dynamiques et transitoires, contrôlant la distribution des acides aminés alimentaires dans les zones splanchnique et périphérique de l'organisme. Le recours à la modélisation compartimentale permet d'analyser les données cliniques obtenues sur ce système physiologique complexe afin de comprendre son fonctionnement par le biais d'une approche intégrée. Les travaux pionniers récemment opérés à ce sujet se sont heurtés à une difficulté majeure : la difficulté de mener à bien l'identification numérique de modèles multi-compartimentaux, qui consiste à trouver les valeurs de leurs paramètres permettant d'ajuster leurs prédictions aux observations disponibles sur le système, en particulier lorsque ces données sont rares ou parcellaires. Dans la continuité de cette démarche, nos travaux de thèse ont consisté à améliorer les techniques et à rationaliser les méthodes de modélisation disponibles au laboratoire, puis à utiliser ces développements méthodologiques afin d'étudier les phénomènes métaboliques impliqués dans la valorisation postprandiale spécifique de différentes sources protéiques sous différentes conditions nutritionnelles chez l'homme. Nous nous sommes d'abord intéressés aux différentes étapes du processus de développement d'un modèle multi-compartimental complexe décrivant la distribution inter-régionale de l'azote alimentaire en phase postprandiale chez l'homme, depuis l'obtention de données expérimentales sur le système étudié jusqu'à l'identification structurelle et numérique du modèle et sa validation. En particulier, nous avons cherché à simplifier l'étape critique de l'identification numérique des modèles compartimentaux, et nous avons développé une nouvelle méthode qui permet, grâce à une analyse de sensibilité préalable du modèle, de diviser le problème d'optimisation de grande taille en plusieurs sous-problèmes emboîtés de taille réduite, plus faciles à résoudre par les algorithmes classiques de recherche. Ces développement méthodologiques nous ont permis de construire un nouveau modèle global du métabolisme de l'azote alimentaire chez l'homme, décrivant les processus majeurs de son utilisation postprandiale depuis son absorption jusqu'à son assimilation régionale et son élimination par l'organisme. Ce modèle a été développé à partir de données expérimentales concernant l'apparition de l'azote alimentaire dans certains pools métaboliques de l'intestin, du sang et des urines obtenues chez des sujets sains au cours des 8 heures suivant l'ingestion d'un repas mixte solide contenant des protéines de blé marquées au 15N. Puis, ce modèle a été utilisé et/ou adapté afin de rendre compte de données supplémentaires, obtenues après l'ingestion de repas mixtes à base de protéines de lait ou de soja (repas liquides) ou de protéines de blé (repas solide) selon un protocole similaire, mais mené en deux occasions successives chez des sujets sains préalablement adaptés à un régime normoprotéique puis hyperprotéique. Les modèles ainsi développés ont permis de prédire les cinétiques gastro-intestinales de l'azote alimentaire dans le cadre physiologique de l'ingestion de repas mixtes (bolus), et d'étudier leur impact sur le métabolisme ultérieur de l'azote alimentaire, en particulier sur son utilisation anabolique et catabolique splanchniques. Ces modèles ont aussi permis d'étudier l'influence de facteurs qualitatifs (nature de la source protéique) ou quantitatifs (niveau habituel d'apport protéique) de l'apport protéique sur la valorisation postprandiale spécifique des protéines du repas. En particulier, ces travaux ont montré l'importance du phénomène de recyclage entéro-hépatique de l'azote alimentaire après l'ingestion d'une protéine de qualité nutritionnelle moyenne comme le blé. Ces résultats nous ont amenés à nous intéresser plus particulièrement aux cinétiques postprandiales de l'urée, ainsi qu'à leur modulation par différents facteurs alimentaires. Pour cela, nous avons développé un modèle régional spécifique des phénomènes métaboliques splanchniques de désamination et de recyclage entéro-hépatique, qui est en réalité un sous-système des modèles globaux précédents. Ce modèle a permis, à partir de données obtenues uniquement aux niveaux sanguin et urinaire, d'étudier l'influence de facteurs qualitatifs et quantitatifs de l'apport protéique sur les cinétiques postprandiales de production, d'excrétion et d'hydrolyse de l'urée d'origine alimentaire et endogène. Nos travaux de modélisation ont permis d'apporter des informations originales et nouvelles concernant l'influence de différents facteurs alimentaires sur le devenir métabolique postprandial de l'azote alimentaire chez l'homme. Ces travaux pourraient être renouvelés et poursuivis par l'analyse de nouvelles données obtenues sous différentes conditions physiopathologiques afin de définir des stratégies nutritionnelles adaptées à ces situations.

L'aeration des bocaux de culture ameliore la croissance de vitroplants de solanum tuberosum en supprimant les contraintes de confinement et permet de realiser la culture en mode photoautotrophe. La photosynthese nette et la croissance des vitroplants photoautotrophes sont stimulees par une augmentation de l'eclairement ou de la concentration en co#2. En mesurant a l'aide de #1#8o#2 les echanges d'oxygene, nous avons observe que la stimulation de la photosynthese brute par l'eclairement est plus elevee, et la depression de photosynthese brute au point de compensation en co#2 moins forte, chez des vitroplants eleves sous un eclairement de 300 micro moles photons. M#-#2. S#-#1 que chez ceux eleves a 80 micro moles photons. M#-#2. S#-#1. Une modelisation des echanges d'oxygene permettant d'acceder in vivo aux proprietes cinetiques de la rubisco et d'estimer l'importance relative des differentes voies de prise d'oxygene sous lumiere a ete realisee afin de preciser la nature des phenomenes a l'origine de ces adaptations. Plusieurs hypotheses quant aux composantes de la prise non photorespiratoire peuvent expliquer les niveaux des echanges d'oxygene observes. Une autre approche experimentale a ete entreprise dans le but de preciser l'origine du co#2 produit a la lumiere. En utilisant une culture cellulaire photoautotrophe de plante superieure, caracterisee par une faible activite anhydrase carbonique, nous avons mis en evidence un marquage a l'oxygene 18 du co#2 produit en conditions photorespiratoires lorsque les cellules sont eclairees en presence de #1#8o#2

Le comportement stationnaire et dynamique de la voie haute de la glycolyse est étudié dans des extraits acellulaires de levure. Le système centré sur le cycle PFK/FDPase contient la pyruvate kinase, l'adénylate kinase et la phosphoglucose isomérase. Le système réactionnel opère dans des conditions thermodynamiques ouvertes maintenues par une alimentation en continu en substrats (le glucose 6-phosphate, l'ATP et le PEP). Pour des conditions expérimentales particulières, des modifications de la charge énergétique d'entrée peuvent provoquer des transitions entre les états stationnaires qui sont réversibles (comme il apparaît dans les phénomènes classiques d'hystérèse) ou qui sont irréversibles (le système n'est plus capable de retourner à l'état initial). A partir du même modèle qualitatif, une variation de la charge énergétique d'entrée provoque l'apparition de branches non-connectées. Dans de telles structures liées à la bistabilité, aucune transition entre les deux branches stables coexistantes n'est possible, définissant des états stationnaires non-équivalents. Les différentes transitions peuvent avoir des implications biologiques en relation avec des commutations, l'adaptation et des phénomènes de mémoire.