Inference of plasmid copy number mean and noise from single cell gene expression data

Plasmids are extra-chromosomal DNA molecules which code for their own replication. We previously reported a setup using genes coding for fluorescent proteins of two colors that allowed us, using a simple model, to extract the plasmid copy number noise in a monoclonal population of bacteria [J. Wong Ng et al., Phys. Rev. E, 81, 011909 (2010)]. Here we present a detailed calculation relating this noise to the measured levels of fluorescence, taking into account all sources of fluorescence fluctuations: the fluctuation of gene expression as in the simple model, but also the growth and division of bacteria, the non-uniform distribution of their ages, the random partition of proteins at divisions and the replication and partition of plasmids and chromosome. We show how using the chromosome as a reference helps extracting the plasmid copy number noise in a self-consistent manner.Comment: 9 pages, 3 figures, 2 table

Molecular and Sensory Basis of a Food Related Two-State Behavior in C. elegans

Most animals display multiple behavioral states and control the time allocation to each of their activity phases depending on their environment. Here we develop a new quantitative method to analyze Caenorhabditis elegans behavioral states. We show that the dwelling and roaming two-state behavior of C. elegans is tightly controlled by the concentration of food in the environment of the animal. Sensory perception through the amphid neurons is necessary to extend roaming phases while internal metabolic perception of food nutritional value is needed to induce dwelling. Our analysis also shows that the proportion of time spent in each state is modulated by past nutritional experiences of the animal. This two-state behavior is regulated through serotonin as well as insulin and TGF-beta signaling pathways. We propose a model where food nutritional value is assessed through internal metabolic signaling. Biogenic amines signaling could allow the worm to adapt to fast changes in the environment when peptide transcriptional pathways may mediate slower adaptive changes

Diffusion, solubilisation et propriétés interfaciales dans les solutions isotropes d'amphiphiles

Nous avons étudié, à l'aide de techniques optiques, plusieurs propriétés des solutions isotropes d'amphiphiles (micelles et microémulsions). Dans une première partie, nous avons utilisé ces systèmes en tant que systèmes colloïdaux modèles afin d'étudier les variations du coefficient d'auto-diffusion de particules en interaction avec la concentration de particules et les interactions ; cette étude a été réalisée à l'aide d'un montage de Recouvrement de Fluorescence Après Photoblanchîment que nous avons réalisé. En utilisant des solutions micellaires, nous avons ainsi pu montrer que le coefficient d'auto-diffusion de particules en interaction dépend peu de ces interactions (contrairement au coefficient de diffusion collective mesurée par Diffusion Quasi-élastique de la Lumière) et que les coefficients de friction associés à ces deux coefficients de diffusion étaient différents. Dans le cas des microémulsions, nous avons mis en évidence l'effet des phénomènes d'agrégation réversible (responsables des phénomènes de percolation électrique) sur les mécanismes d'auto-diffusion. Dans une seconde partie, nous avons utilisé les techniques expérimentales utilisées dans le cadre du travail décrit ci-dessus en vue d'étudier la structure de microémulsion en présence de protéines solubilisées. En particulier, nous avons pu déterminer les rayons des gouttelettes de microémulsion ayant solubilisé une protéine dans les deux cas extrêmes où le volume du coeur acqueux est supérieur ou inférieur au volume de la protéine. Enfin, nous avons étudié les propriétés interfaciales des mélanges polyphasiques eau-huile-amphiphiles ; nous avons ainsi pu mettre en évidence le rôle primordial du film interfacial dans l'obtention de basses tensions interfaciales

Dynamique d'expression d'un réseau de régulation génétique (la décision lyse/lysogénie chez le bactériophage Lambda)

Lors d'une infection par le virus Lambda, une bactérie peut suivre l'une ou l'autre de deux voies très diff érentes : la lyse, où le virus se multiplie, tue l'hôte et est relâché dans l'environnement, ou la lysogénie, où l'ADN viral est intégré dans le chromosome de l'hôte et celui-ci devient immunisé à une surinfection. La décision entre la lyse et la lysogénie est prise aléatoirement, mais les probabilités de suivre chacune des deux voies dépend du nombre de virus infectant la cellule en même temps et de son état physiologique : un faible nombre de virus par bactérie, un milieu riche ou des cellules en phase de croissance exponentielle favorisent la lyse, alors que les conditions opposées favorisent la lysogénie. Cela est rendu possible par un ensemble de cinq gènes, sous quatre promoteurs, interagissant les uns avec les autres et avec des protéines de l'hôte. Des paires de gènes codant pour des protéines fluorescentes ont été insérés dans le génome de Lambda. En mesurant les niveaux de fluorescence de bactéries individuelles, nous pouvons déterminer, au cours de la décision, les taux d'expression de gènes de ce réseau et leurs corrélations deux à deux. En variant systématiquement les conditions de croissance, nous pouvons ainsi obtenir une description riche de la dynamique, notamment du rôle du bruit stochastique et de son contrôle, de ce réseau de régulation naturel. En fin, nous avons complété un programme informatique développé au laboratoire de façon à pouvoir comparer le réseau de Lambda à des réseaux générés sur ordinateur et ayant le même comportement. Cela aidera à mieux comprendre la structure particulière de ce réseau.PARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Mécanique du contact aux échelles mésoscopiques

Deux méthodes expérimentales ont été développées pour mesurer, pour une interface multi-contacts élastomère / verre, les champs mécaniques en volume (micro-capteur de force MEMS noyé sous le film élastique) et à l interface (imagerie de contact par transmission), résolus spatialement à une échelle intermédiaire entre celle du contact apparent et celle des micro-contacts. La mesure MEMS a permis d obtenir les champs de contrainte sous charge normale et en glissement stationnaire, en très bon accord avec des modèles mécaniques simples. Pour des substrats de rugosité périodique le lien entre spectre des contraintes et topographie de surface a pu être interprété en termes de filtrage spatial, pertinent pour comprendre la perception tactile. La mesure optique a permis, en analysant la répartition spatiale de l intensité, d obtenir le champ de pression de surface. Sa dépendance avec les propriétés de la couche rugueuse a été confrontée au modèle de Greenwood-Tripp. Par suivi des aspérités, le champ de déplacement a été mesuré avec une résolution sub-micronique et a mis en évidence la coexistence de zones glissantes et adhérentes prédite par Cattaneo et Mindlin.PARIS-BIUSJ-Thèses (751052125) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Etude des structures secondaires de molécules uniques d'ARN post et en cours de transcription

Dans les années 80, de nombreuses études sur certains ARN ont montré qu'ils possédaient des propriétés biologiques qui jusqu'alors n'étaient attribuées aux seules protéines. Dès lors de nombreux ARN de ce type ont été découvert et la corrélation entre la structure tertiaire et les propriétés biologiques est très forte. Dans ce travail nous avons développé de nouveaux outils permettant de définir les structures de ces ARN. La première technique est une dénaturation mécanique par les pinces optiques : la signature de cette dénaturation est directement lié aux structures en présence. La deuxième technique est de suivre le repliement et donc la structure des ARN en cours de transcription par microscopie en onde évanescente. Ces deux techniques ont été complétées par des simulations numériques.In the 80th, people working on RNA discovered that some of them had some biological properties. This properties were at that time only attributed to proteins. Since that many other RNA with properties has been discovered, and the correlation between function and structure has been shown. In that work we built some new techniques to define the structures. The first tool built was based on mechanical denaturation. This denaturation were obtained by optical tweezers, the signature of such denaturation is directly related to structure. The second setup build was to follow the folding during transcription by using evanescent wave microscopy. This two techniques were completed by some numerical simulations.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Propriétés adhésives entre deux bulles de savon

Cette thèse a pour objet d'étudier les propriétés d'adhésion, statique et dynamique, entre deux bulles de savon. Nous avons réalisé un montage expérimental permettant de mettre au contact deux bulles de composition contrôlée. Dans un premier temps, nous observons et modélisons la déviation statique de l'angle de contact, mesuré par analyse d'images, par rapport à la valeur attendue de 120. Nous nous concentrons ensuite sur la réponse du système à une excitation sinusoïdale. Des modules angulaires locaux sont définis à partir de l'angle dynamique de contact et de la déformation du rayon de contact et tracés en fonction de la fréquence. Le comportement viscoélastique obtenue est comparée aux modules d'élasticité des films de savon à l'aide d'un modèle microscopique. Les propriétés de la phase liquide sont modulées et l'effet des différents paramètres sur les propriétés de la double bulle est discuté. Enfin, le lien entre ces propriétés locales et la rhéologie macroscopique de mousse est abordée au travers d'une correction au modèle de Princen.LIMOGES-ENSCI (870852305) / SudocPARIS-BIUSJ-Physique recherche (751052113) / SudocSudocFranceF

Mesure cellule par cellule du nombre de copies de plasmide chez Escherichia coli

Toute l'information génétique nécessaire à la vie de la bactérie Escherichia coli est portée par son unique chromosome : une molécule d'ADN circulaire de 4,6 millions de paires de bases. En plus de son ADN chromosomique, une bactérie peut contenir des molécules d'ADN supplémentaires appelées plasmides. L'objet de cette thèse est la mise au point d'une expérience de mesure cellule par cellule du nombre de plasmides. Il s'agit de prendre, une par une, plusieurs milliers de bactéries et ensuite de compter le nombre de plasmides qu'elles contiennent.Pour cela nous avons utilisé des techniques de micro lithographie pour construire un dispositif constitué de réservoirs de 5 mm de diamètre reliés entre eux par un canal de 5 m de large. Une goutte de liquide contenant les bactéries est déposée dans l'un des réservoirs. Une différence de hauteur de liquide et/ou une tension électrique appliquée entre les réservoirs permet de faire passer les bactéries d'un réservoir à l'autre, une par une, devant l'objectif d'un microscope inversé.Le nombre de plasmides dans la bactérie est mesuré de façon indirecte. Nous avons construit des plasmides qui portent tous un gène codant une protéine fluorescente verte, et lorsqu'une bactérie passe devant l'objectif du microscope nous mesurons la fluorescence de la cellule. Notre expérience repose sur l'hypothèse que le niveau d'expression est le même pour chaque copie du gène: la fluorescence de la cellule est alors proportionnelle au nombre de copies du plasmide.Cette thèse décrit l'expérience de microscopie de fluorescence ainsi que la construction des souches bactériennes. Les résultats préliminaires que nous avons obtenus montrent que le dispositif expérimental est au point: Lors d'une expérience, nous mesurons la fluorescence de plusieurs milliers de bactéries. Le signal est largement au dessus du bruit et les résultats sont reproductibles.All the genetic information necessary to the life of Escherichia coli is carried by its unique chromosome: a 4.6 million base pair circular DNA molecule. Besides its chromosomal DNA this bacterium can also contain additionnal DNA molecules called plasmids.The aim of this thesis is to build up an experiment to measure cell by cell the number of plasmids. The point is to take, one by one, thousands of bacteria and then measure the number of plasmids they contain.To do this we used micro lithography techniques to built a ship made of 5 mm diameter reservoirs linked together by a 5 m wide channel. A drop of liquid containing the bacteria is transfered in one of the reservoirs. A difference in the liquide height and/or some voltage applied between the reservoirs allows to make the bacteria pass from one reservoir to the other, one by one, in front of the objective of an inverted microscope.The number of plasmids is measured indirectly. We built plasmids which all carry a gene coding for a green fluorescent protein, and when a bacteriun passes by we measure the fluorescence of the cell. Our experiment is based on the assumption that the level of expression is the same for each copy of the gene: the fluorescence of the cell is proportionnal to the number of plasmids.This thesis describes the fluorescence microscopy experiment and the construction of the bacterial strains.The preliminary results that we obtained show that our experimental setup works. (In one experiment we measure the fluorescence of thousands of bacteria: The signal is far above the noise and the results are reproducible.STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Micromanipulation d'une molécule d'ARN unique

STRASBOURG-Sc. et Techniques (674822102) / SudocSudocFranceF

Variation du nombre de copies de plasmides au sein des populations monoclonales de bactéries

Les plasmides sont des fragments d'ADN extrachromosomaux. Un plasmide code pour sa propre fréquence de réplication et peut être à copies multiples au sein de son hôte. Il peut aussi apporter à son hôte un avantage sélectif. Dans quelques plasmides modèles, nous avons inséré le gène d'une protéine fluorescente (mOrange). Ces plasmides ont été injectés dans une bactérie contenant le gène d'un autre rapporteur fluorescent (eGFP) sur son chromosome. Nous avons observé ces bactéries à l'aide d'un dispositif microfluidique qui nous permet des observations de bas niveau de fluorescence sur des bactéries isolées. Pour chaque plasmide étudié, nous avons pu mesurer son nombre de copies (PCN) moyen par bactérie au sein de la population. Ensuite, nous avons extrait des données la variation du PCN au sein de la population. Par ailleurs, nous donnons aussi à l'aide d'une méthode plus approximative la distribution du PCN par bactérie. Finalement, nous n'avons pas réussi à changer les caractéristiquePARIS-BIUSJ-Biologie recherche (751052107) / SudocSudocFranceF