Thèse Holographie Numérique et Pinces Optiques Guidées par la Physique pour l'Étude de la Nucléation Précoce des Biofilms Bactériens H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier École doctorale : I2S - Information, Structures, Systèmes Laboratoire de recherche : CBS - Centre de Biologie Structurale Direction de la thèse : Ashley NORD ORCID 0000000161992769 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-04T23:59:59 Les biofilms bactériens sont des communautés structurées de cellules enchâssées dans une matrice extracellulaire qu'elles produisent elles-mêmes. Ils constituent le mode de vie dominant des bactéries dans de nombreux environnements naturels et cliniques, et sont notoirement difficiles à éradiquer car ils augmentent fortement la tolérance aux antibiotiques, aux réponses immunitaires et aux contraintes mécaniques. Pourtant, les mécanismes physiques qui gouvernent les toutes premières étapes de la nucléation des biofilms restent mal compris.

Ce projet de doctorat vise à déterminer si les bactéries qui initient un biofilm présentent des signatures physiques distinctes avant la nucléation. Il se concentrera d'abord sur la voie classique d'initiation à une interface liquide-solide, où une bactérie motile approche, interagit avec, puis peut éventuellement adhérer à une surface. Dans un second temps, en fonction de l'avancement, le projet sera étendu à l'agrégation précoce en suspension, qui pourrait constituer une voie alternative de nucléation.

Le projet combine expériences et modélisation autour de deux plateformes optiques complémentaires : la microscopie holographique numérique (DHM) et les pinces optiques (OT). La DHM permet un suivi tridimensionnel sans marquage des bactéries et de petits agrégats dans des volumes relativement grands, ce qui la rend particulièrement adaptée à la détection d'événements rares et à la caractérisation des dynamiques qui les précèdent. Les pinces optiques permettent, quant à elles, de perturber mécaniquement des cellules individuelles de manière contrôlée et d'interroger directement les interactions cellule-interface ou cellule-cellule.

Sur le plan théorique, le doctorant développera des modèles physiques des signaux optiques mesurés en DHM et en OT, à partir de géométries bactériennes réalistes, d'orientations et d'états de motilité simples. Ces modèles serviront à construire des outils d'ajustement et d'inférence permettant d'extraire des grandeurs biologiquement pertinentes à partir des données expérimentales, telles que la position tridimensionnelle, l'orientation, la distance à une interface, et, lorsque cela est possible, des informations sur les fluctuations ou la structure de petits agrégats.

Sur le plan expérimental, le doctorant mettra en place une approche DHM pour suivre des bactéries individuelles au voisinage d'une interface liquide-solide et quantifier leur dynamique immédiatement avant le contact et l'adhésion. En parallèle, des expériences de pinces optiques permettront de piéger des bactéries et d'imposer des contacts répétés ou prolongés avec l'interface afin de déterminer l'influence des interactions mécaniques sur la probabilité d'adhésion. Dans une seconde étape, ce cadre sera étendu à l'étude de petits agrégats en suspension : la DHM permettra de distinguer les rencontres transitoires des agrégats stables, tandis que des pinces optiques doubles permettront de sonder les interactions cellule-cellule à courte portée.

En combinant observation, perturbation et modélisation optique quantitative, ce projet vise à identifier d'éventuels états précurseurs de la nucléation des biofilms et à déterminer si cette initiation est purement stochastique ou précédée de signatures dynamiques ou mécaniques détectables. Plus largement, il replacera les premières étapes de formation des biofilms dans le cadre de la biophysique à l'échelle de la cellule unique et de la matière molle hors équilibre. La formation des biofilms peut être abordée comme un problème de biophysique des systèmes actifs, à l'interface entre motilité, interactions mécaniques et transitions de phase hors équilibre. Aux premiers stades de la nucléation, une bactérie nageuse explore son environnement, interagit avec une interface liquide-solide ou avec d'autres cellules, puis peut basculer vers un état adhérent et sessile. Cette transition met en jeu des phénomènes encore mal compris, où s'entremêlent dynamique de nage à bas nombre de Reynolds, interactions hydrodynamiques avec les interfaces, forces de contact de courte portée, fluctuations de trajectoire et couplage entre état mécanique et état physiologique de la cellule. Dans ce contexte, le moteur flagellaire occupe une place centrale, à la fois comme générateur de mouvement et comme sonde indirecte de l'état énergétique de la membrane. Plus largement, la question est de comprendre si la nucléation d'un biofilm résulte d'un événement purement stochastique, ou si elle est précédée d'états physiques distincts, détectables dans la dynamique, les interactions cellule-interface ou les interactions cellule-cellule. Cette problématique s'étend également à l'agrégation précoce en suspension, qui pourrait constituer une voie alternative d'initiation des biofilms.

Nous recherchons un(e) candidat(e) particulièrement motivé(e), doté(e) d'une formation en physique et d'un fort intérêt pour l'optique, la matière molle ou la mécanique statistique. De solides compétences en programmation sont indispensables, idéalement en Python et/ou Matlab. Une expérience préalable en pinces optiques et en modélisation optique serait fortement appréciée ; une familiarité avec la microscopie, la diffusion de la lumière, les problèmes inverses ou les systèmes bactériens constituera un atout.
Le profil recherché est volontairement exigeant et distinctif: il s'agit d'un(e) étudiant(e) ayant un goût prononcé pour la théorie et la modélisation quantitative, tout en étant réellement motivé(e) par la réalisation d'expériences complexes. Le projet se situant à l'interface entre physique, instrumentation et microbiologie, le ou la candidat(e) idéal(e) fera preuve de curiosité scientifique, de rigueur, et d'une aisance à naviguer entre modélisation, analyse de données et travail expérimental.