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Une méthode novatrice pour modéliser la croissance des micro-organismes

Micro-organismes marqués par des sondes fluorescentes © O. Chapleur / Irstea

04/12/2018

Les scientifiques d’Irstea ont publié, dans la prestigieuse revue ISME Journal, un article scientifique remarqué par la communauté de l’écologie microbienne. Ils y présentent un modèle informatique permettant de faire des prédictions sur la croissance des populations de micro-organismes au sein d’une communauté, qui pourrait se révéler très utile notamment dans le domaine du traitement des eaux usées.

Les micro-organismes, ou microbes, sont omniprésents. Actifs dans le sol, les mers, les lacs, et jusqu’à l’intérieur du corps humain, ces organismes microscopiques - bactéries, champignons, planctons… - jouent un rôle central dans la vie de la biosphère. Au quotidien, les communautés microbiennes sont mises à profit au sein de procédés industriels variés comme la production de bière, de fromage, le traitement les eaux usées et la valorisation des déchets organiques, par le biais par exemple de la méthanisation. Pour concevoir et optimiser ces procédés, il est essentiel de comprendre les dynamiques microbiennes : à quelle vitesse les microbes poussent-ils, comment interagissent-ils, quel est leur comportement ? Les scientifiques d’Irstea et leurs collaborateurs travaillent sur une théorie prometteuse pour modéliser ces dynamiques

Mieux comprendre les écosystèmes microbiens

Depuis l’invention du microscope au XVIIème siècle et la première observation de micro-organismes, les scientifiques n’ont eu de cesse de comprendre les dynamiques microbiennes. Une première formalisation mathématique voit le jour dans les années 40. « Jacques Monod, prix Nobel de physiologie ou médecine, a établi une relation mathématique qui permet de prédire la vitesse de croissance d’un microbe en fonction des conditions du milieu, plus précisément sa concentration en substrat, ce dont les micro-organismes se nourrissent », expliquent Hadrien Delattre et Théodore Bouchez, chercheurs au centre Irstea d’Antony.

Cette relation et d’autres qui ont suivi sont aujourd’hui couramment utilisées dans toutes les applications de biotechnologie (production de produits thérapeutiques, fermentation, génie génétique…) qui ont recours à des cultures pures d’agents microbiens - c’est-à-dire où une seule espèce de microbe vit - et permettent de modéliser correctement la croissance de ces organismes. Elles montrent cependant leurs limites dans des situations en culture mixte, dans lesquelles évoluent une multitude de populations de microbes organisés en communauté complexe (sols, mer, stations d’épuration, …), freinant ainsi de nombreuses applications environnementales et biotechnologiques. « Or, nous proposons à Irstea une nouvelle théorie capable de prédire la croissance des micro-organismes et leur comportement dans un système contenant différentes populations de microbes », s’enthousiasme Théodore Bouchez.

Prédire la dynamique des populations microbiennes mixtes

Hadrien Delattre, ancien doctorant à Irstea, a construit un programme informatique capable de simuler les situations décrites par la théorie dans le cas d’un système de boues activées, et qui fait l’objet de la publication « Consistent microbial dynamics and functional community patterns derived from first principles ».

« L’intérêt principal de cette démarche, en plus de permettre de modéliser plusieurs populations simultanément, est qu’elle dérive d’un modèle théorique. Cela nous permet de reproduire des motifs avec un minimum d’hypothèses. Alors que les modèles traditionnels nécessitent des expérimentations pour caler leurs paramètres, notre modèle est capable de prédictions sur des systèmes et des bioprocédés qui n’ont jamais été testés », explique Hadrien Delattre. Grâce à l’implémentation de ce modèle sous la forme d’un programme informatique intégrable à terme dans les logiciels informatiques d’ingénierie utilisés par les professionnels, nos capacités de dimensionnement et d’optimisation de procédés dans une station d’épuration seraient grandement étendues. Plus globalement, cette méthode pourrait être appliquée à une grande diversité de bioprocédés comme le compostage ou la fermentation, mais également aux milieux naturels (eaux, sols…) afin de prédire l’ordre et l’intensité des réactions y prenant place. Ce programme informatique s’intègre dans un projet plus global, le projet Thermomic, qui vise à élaborer un cadre de modélisation des écosystèmes microbiens plus générique et prédictif.

Fiche d’identité du projet Thermomic
  • Objet : Un cadre thermodynamique pour la modélisation de la croissance et des dynamiques microbiennes
  • Partenaires : INRA-LBE Laboratoire de Biotechnologie de l’environnement de l’INRA Narbonne et LISBP Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Biologiques et des Procédés
  • Dates : 2016 - 2020
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