– evolvingsyst

1-Contexte scientifique et objectifs du projet : - Tous les systèmes sont contraints par les lois de la physique et de la chimie. Les systèmes biologiques se distinguent du fait qu'ils émergent d'une évolution darwinienne, qui contraint chaque étape de la sélection. L'évolution darwinienne se caractérise par des modifications génétiques se produisant au hasard dans le génome, suivies d'une sélection des individus mutants ayant un avantage sélectif. Cette combinaison de « hasard et nécessité » est une donnée fondamentale des systèmes vivants. L'étude simultanée des 2 composantes est possible efficacement par des approches d'évolution expérimentale, permettant d'analyser et comparer un ancêtre et ses descendants pendant des dizaines de milliers de générations. L'utilisation de micro-organismes, aux temps de génération courts et pouvant atteindre des populations importantes, permet d'étudier la dynamique de l'évolution en laboratoire, dans des conditions contrôlées et avec un grand nombre de réplicats. La possibilité de congeler et revivifier ancêtres et individus isolés lors des étapes de l'évolution permet de disposer d'une machine à remonter le temps « en ouvrant son congélateur ». L'utilisation d'Escherichia coli dans un tel système d'évolution présente des avantages supplémentaires, de par la disponibilité de grandes quantités d'informations pour comprendre les interactions entre les différents sous-systèmes moléculaires et cellulaires et leur co-évolution. Ce projet se propose de comprendre comment les contraintes génétiques, moléculaires et évolutives sont intégrées dans ce système cellulaire. - 2-Description du projet, méthodologie : - Ce projet combine le développement d'une technologie automatisée d'analyse d'images et d'outils statistiques avec le suivi génomique et phénotypique des processus évolutifs lors d'une stratégie d'évolution expérimentale chez E. coli. Douze populations, issues du même ancêtre, ont évolué pendant 40 000 générations dans un milieu défini. Nous disposerons, fin 2006, de l'intégralité des génomes de l'ancêtre et des 12 produits indépendants de la sélection. Chacune des populations s'est adaptée à son environnement par augmentation du taux de croissance par rapport à l'ancêtre. Cette performance accrue est associée à une augmentation de taille des cellules. Une dizaine de mutations bénéfiques, accumulées de façon successive, ont été mises en évidence au cours de l'évolution de ces phénotypes. Par une approche de biologie systémique, nous reconstruirons l'histoire évolutive d'une population en intégrant chaque mutation, seule et en combinaison, dans le contexte génomique de l'ancêtre, pour étudier les liens entre mécanismes moléculaires, phénotypes cellulaires et valeur sélective. Nous mesurerons les effets pleiotropes, épistatiques ou additifs des différentes mutations. Pour analyser très finement les phénotypes, nous disposons d'une technique que nous avons développée récemment, permettant non seulement de mesurer les phénotypes cellulaires moyens qui ont co-évolué (morphologie, taille, asymétrie, vitesse de croissance), mais aussi toute la distribution et les corrélations entre cellules. Chaque cellule sera suivie individuellement au sein d'un lignage. Cet outil puissant a permis de caractériser des phénomènes de vieillissement et d'asymétrie chez E. coli, que l'on croyait dépourvue de ces propriétés. Pour produire à haut débit les données de qualité dont nous aurons besoin, cette analyse devra être effectuée entièrement automatiquement et pas seulement de façon semi automatique, comme c'est le cas aujourd'hui. Ce projet inclut donc une composante d'analyse d'images, qui utilisera l'intégralité des informations recueillies dans les films pour atteindre un très haut degré de fiabilité et donc éviter un post-traitement systématique. Les outils statistiques d'analyse de lignages seront adaptés au suivi des mesures phénotypiques et des corrélations entre cellules apparentées. Les caractéristique