Un cadre thermodynamique pour la modélisation de la croissance et des dynamiques microbiennes – Thermomic

Microbial communities are key engines that drive earth’s biogeochemical cycles. However, existing ecosystem models have today exhibit only limited abilityies in to predicting microbial dynamics and require the calibration of multiple population specific empirical equations. In contrast, we build on a new kinetic «Microbial Transition State« (MTS) theory of growth derived from first physical principles. We show how the theory coupled to simple mass and energy balance calculations constitutes provides a framework that with intrinsically enclose important qualitative properties to model microbial community dynamics.

Le projet a déjà enregistré une première belle réussite scientifique avec l'acceptation d'un premier article THERMOMIC «multipartenaires« (partenaires 1 et 2) dans un journal international à fort facteur d'impact (ISMEJ, www.nature.com/ismej/, IF>9.5). L'article présente des simulations dynamiques d'écosystèmes microbiens virtuels. Des dynamiques qualitativement cohérentes sont obtenues à partir des hypothèses fondamentales de la théorie de l'état de transition microbien, sans avoir recours à un ajustement des paramètres du modèle. Ce résultat montre que la théorie est capable de générer des comportements dynamiques cohérents tout en étant très parcimonieux en hypothèses et en paramètres, ce qui ouvre la voie à la construction de modèles aux capacités prédictives étendues.
«Consistent microbial dynamics and functional community patterns derived from first principles«, Delattre et al., 2018. The ISMEJ. (2019) 13:263–276

In 1875, Ludwig Boltzmann stated: «The general struggle for existence of animate beings is not a struggle for raw materials […] nor for energy […], but a struggle for entropy, which becomes available through the transition of energy from the hot sun to the cold earth«. In 1999, Urs von Stockar proposed his notion of «entropy driven growth« for microbial cultures (von Stockar & Liu, 1999). In 2001, Liu et al.; experimentally demonstrated the possibility of an «entropy driven« endothermic growth, using an acetate fed pure culture of Methanosarcina barkeri grown in a calorimeter. Some years later, Jeremy England made an important theoretical contribution (England, 2013). He proposed a statistical physics based analysis of self replicating phenomena by extending the Crooks fluctuation theorem (Crooks, 1999) to biological entities. He derived a lower bound for the amount of entropy that is produced during a process of self-replication and made the connection with the apparent rate of the phenomena. J. England even illustrated his results using the case study of Escherichia coli growing under non limiting substrate conditions. We propose to build further on this contribution. By doing so, it will be possible to derive a relation between the maximum growth rate and the entropy variation, which is a function of the temperature and the metabolic energy dissipation. This will result in a more generic growth equation, where the growth rate will depend only on energetic variables, temperature, one parameter and one constant. Furthermore, the contribution of entropy variation to growth rate will become explicit, giving substance to the initial intuition of Boltzmann about «the general struggle for entropy of animate beings«.

Hadrien Delattre, Elie Desmond Le Quéméner, Christian Duquennoi, Ahlem Filali, Théodore Bouchez. Consistent microbial dynamics and functional community patterns derived from first principles – 2019. The ISMEJ. (2019) 13:263–276
Hadrien Delattre, Elie Le Quéméner, Robbert Kleerebezem, Théodore Bouchez. Modeling the energy dependence of microbial growth. Minireview in revision for FEMS Microbiology Ecology.

L'activité des microbes constitue un des principaux moteurs biogéochimiques de la biosphère. Pour faire face aux défis environnementaux, il faut apprendre à mobiliser l'activité des communautés microbiennes et faire émerger de nouveaux services écosystémiques visant à préserver les grands équilibres écologiques. Ainsi, les déchets organiques ou les eaux usées peuvent être envisagées comme des ressources à valoriser par des procédés microbiens tels que la méthanisation ou par de futures "bioraffineries environnementales". Pour concevoir et optimiser ces procédés, il est nécessaire de disposer de modèles permettant d'expliciter mathématiquement les relations causales entre les paramètres opératoires du procédé, les pressions de sélections induites, la structure des communautés microbiennes qui en résultent et les fonctions de biotransformation qui s'expriment in fine.
Aujourd'hui, la modélisation des dynamiques microbiennes repose sur un grand nombre de lois phénoménologiques (Monod, Contois, Haldane…). Couramment utilisées en biotechnologie industrielle, où des agents microbiens sont mis en œuvre en conditions confinées (culture pure en général), ces équations montrent leurs limites en culture mixte pour les applications environnementales en système ouvert. Ainsi, la méconnaissance des principes qui déterminent la croissance microbienne limite fondamentalement notre compréhension et notre capacité à prédire les dynamiques microbiennes, freinant de nombreuses applications environnementales et biotechnologiques. Il est aujourd'hui nécessaire de proposer de nouvelles abstractions afin de construire un cadre de modélisation plus générique et prédictif. C'est précisément l'objectif du projet THERMOMIC.
Des études thermodynamiques nous ont donné les clés nécessaires à une compréhension plus profonde du phénomène de croissance microbienne. Le bilan énergétique par unité de biomasse formée a été déterminé avec précision et une méthode générique de prédiction de la stœchiométrie de la croissance a été validée. Toutefois, le lien entre le bilan matière/énergie et la dynamique de la croissance microbienne est demeuré longtemps incompris. Nous avons réalisé une avancée récente dans ce domaine en proposant une théorie thermodynamique de la croissance microbienne. Nous avons montré que des systèmes constitués de microbes au contact de molécules pouvaient être assimilés à des ensembles décrits par les lois de la physique statistique. Une équation de croissance a été proposée, qui lie un flux (le taux de croissance des microbes) à une force (la densité d'énergie dans le milieu). L'analyse mathématique des équations obtenues a conduit à des prédictions originales qui ont pu être confortées par des données expérimentales, permettant la publication de ce travail pourtant atypique dans une revue réputée d'écologie microbienne (Desmond-Le Quéméner & Bouchez, 2014; ISME-J, IF = 9,3). Nous pensons que cette relation flux/force pourrait constituer un socle générique pour de nouvelles approches de modélisation : c'est l'hypothèse de travail du projet THERMOMIC.
Ainsi, nous proposons de mobiliser des compétences d'écologie microbienne, de physique statistique, de mathématiques appliquées et d'ingénierie environnementale dans le cadre d'une approche transdisciplinaire pour (WP1) solidifier les bases de notre théorie de la croissance microbienne, (WP2) caractériser mathématiquement le comportement des modèles thermodynamiques et (WP3) évaluer leurs aptitudes prédictives dans le cadre d'applications en traitement d'eaux usées et de déchets. THERMOMIC ambitionne de produire un corpus de connaissances génériques, explicitement formulées du point de vue mathématique, étayées par des simulations et des données expérimentales, afin de refonder les bases de notre compréhension de la dynamique des systèmes microbiens et de proposer des modèles aux capacités prédictives étendues, permettant le développement de nouvelles applications biotechnologiques.