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Offre de thèse de doctorat H/F. "Un rotor aux échelles moléculaires : modélisation de la dynamique du moteur flagellaire"

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

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Informations générales

Référence : UMR5221-NILWAL-001
Lieu de travail : MONTPELLIER
Date de publication : lundi 20 juillet 2020
Nom du responsable scientifique : John Palmeri, Nils-Ole Walliser
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 septembre 2020
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Le moteur flagellaire bactérien (BFM) est un complexe de protéines macromoléculaires intégré dans la membrane bactérienne capable d'effectuer un mouvement rotatif dans les deux sens avec des fréquences d'environ 100 Hz. Il est attaché à un long flagelle filamenteux dont la rotation permet aux bactéries d'effectuer un mouvement dirigé dans des milieux visqueux.

Le mouvement du BFM est l'un des rares exemples de rotation continue autour d'un axe que l'on peut trouver dans les systèmes vivants. Même s'il est largement étudié, la fonction biologique dynamiquement riche du moteur et les principes biophysiques responsables de la génération du couple qui provoque la rotation ne sont pas entièrement compris.

Deux aspects de ce système sont particulièrement remarquables et nécessitent une étude plus approfondie. Tout d'abord, le BFM est capable d'adapter ses performances en fonction du couple imposé de l'extérieur (mécano-sensitivité), en assemblant et démontant dynamiquement des unités motrices appelées stators. Deuxièmement, la rotation du BFM est intrinsèquement couplée à d'autres processus intra-cellulaires comme la respiration et le transport de charges sur la membrane. Pour fonctionner le moteur consomme la différence de potentiel électrochimique transmembranaire due au gradient de concentration des ions (protons ou, plus rarement, ions de sodium) à travers la membrane interne. Cette force motrice de protons (PMF=Proton Motive Force) est établie et maintenue par la respiration cellulaire, et elle peut atteindre, remarquablement quelques centaines de millivolts.

À l'interface entre la biophysique expérimentale et la biophysique théorique, notre projet vise à démêler les mécanismes moléculaires et les principes fondamentaux responsables de la rotation des moteurs individuels sur les cellules vivantes d'E. Coli.

Sur la base des résultats des techniques de molécule unique menées par nos collaborateurs expérimentateurs au CBS, nous étudierons les aspects mentionnés ci-dessus dans le cadre théorique de la cinétique statistique et de la mécanique statistique. De plus, afin d'étudier le couplage dynamique du BFM avec son environnement cellulaire nous utiliserons des simulations numériques et stochastiques ainsi que des méthodes analytiques et numériques des processus stochastiques, pour modéliser la capacité du système à s'adapter aux conditions externes changeantes. Notre approche exploite la force prédictive de la modélisation à gros grains pour révéler les propriétés émergentes de l'interaction des différentes composantes du système. Mais, lorsque cela est nécessaire pour mieux comprendre la mécanique de la génération de couple, nous nous plongerons dans les détails d'une description mécanochimique des composants macromoléculaires à l'échelle nanoscopique.

PROFIL RECHERCHÉ. Nous recherchons des candidats désireux de poursuivre des recherches théoriques dans un contexte transdisciplinaire à l'interface entre la physique et la biologie. Les candidats doivent avoir une connaissance pratique des EDP, de mécanique statistique et des processus de diffusion. Des compétences en programmation (Python ou C) et une expérience avec un environnement informatique symbolique et numérique (Mathematica, Sagemath, Matlab / Octave, etc.) sont appréciées. Les candidats doivent être titulaires d'une maîtrise en physique, biophysique ou chimie physique (ou dans des disciplines connexes).

Niveau de français requis: Intermédiaire: Vous pouvez parler la langue de manière compréhensible, cohérente et avec assurance sur des sujets de la vie courante qui vous sont familiers.

Niveau d'anglais requis: Élémentaire: Vous pouvez comprendre la langue dans des situations quotidiennes élémentaires si votre interlocuteur parle doucement et clairement. Vous comprenez et utilisez des expressions simples.

OBJECTIF ET CONTEXTE. Analyser, modéliser et comprendre le fonctionnement du moteur flagellaire bactérien, comprendre sa mécano-sensitivité, comprendre des principes physiques du fonctionnement des machines moléculaires, analyser les données et interagir avec les expérimentateurs.

Recherche à l'interface physique-biologie sur un système modèle pour la biologie et de grande importance pour comprendre aussi la réponse bactérienne aux stimuli externes (e.g. chimiotactisme).

MÉTHODE. Cinétique statistique et mécanique statistique ; approches du type gaz sur réseau. Simulations numériques et stochastiques ; méthodes analytiques, semi-analytiques et numériques des processus stochastiques (diffusion anormale), EDP.

RÉSULTATS ATTENDUS. Comprendre la dynamique stochastique de l'assemblage rotor-stators qui est au cœur du fonctionnement de la machine flagellaire, comprendre l'origine de la mécano-sensitivité, comprendre les principes physique de fonctionnement des machines moléculaires. Comprendre le couplage dynamique du BFM avec son environnement cellulaire (respiration cellulaire et transport membranaires des charges électriques.

RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES.
Berg, H. C. (2003). The rotary motor of bacterial flagella. Annual review of biochemistry, 72.

Mandadapu, K. K., Nirody, J. A., Berry, R. M., & Oster, G. (2015). Mechanics of torque generation in the bacterial flagellar motor. Proceedings of the National Academy of Sciences, 112(32), E4381-E4389.

Nirody, J. A., Sun, Y. R., & Lo, C. J. (2017). The biophysicist's guide to the bacterial flagellar motor. Advances in Physics: X, 2(2), 324-343.

Nord, A. L., Gachon, E., Perez-Carrasco, R., Nirody, J. A., Barducci, A., Berry, R. M., & Pedaci, F. (2017). Catch bond drives stator mechanosensitivity in the bacterial flagellar motor. Proceedings of the National Academy of Sciences, 114(49), 12952-12957.

Wadhwa, N., Phillips, R., & Berg, H. C. (2019). Torque-dependent remodeling of the bacterial flagellar motor. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(24), 11764-11769.

Contexte de travail

La thèse sera encadrée par John Palmeri et Nils-Ole Walliser, Laboratoire Charles Coulomb (L2C), Université de Montpellier.

Le candidat intégrera le groupe de recherche «Systèmes Complexes et Phénomènes Non linéaires» au Laboratoire Charles Coulomb (L2C). Le L2C est une unité mixte de recherche (UM-CNRS), situé sur le campus de l'Université de Montpellier (UM), représente un environnement scientifique international dédié à la recherche en physique appliquée et fondamentale, ainsi qu'à la recherche à l'interface entre la physique et la biologie.

Le projet sera réalisé en collaboration avec Francesco Pedaci et Ashley Nord du «Centre de Biochimie Structurale» (CBS) Montpellier. Cette thèse est financée par le projet ANR-CNRS 'FlagMotor'.

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