Une description top-down de l'oscillateur circadien chez les cyanobactéries // a top-down description of the circadian oscillator in cyanobacteria

Topic description

Les horloges biologiques sont présentes chez la plupart des organismes vivants, des bactéries aux eucaryotes. Ces oscillateurs circadiens sont auto-entretenus, présentent une période d'environ 24 heures et se distinguent par une grande robustesse aux variations de température, conservant une période quasi constante malgré les changements des taux de réaction. Les mécanismes à l'origine de cette robustesse et de cette adaptabilité restent cependant encore partiellement compris. Ce projet de thèse propose de développer une description simplifiée et quantitative de l'horloge circadienne de la cyanobactérie Synechococcus elongatus, un organisme modèle pour l'étude des rythmes biologiques. En combinant des expériences contrôlées et de la modélisation théorique, l'objectif est de relier les mécanismes moléculaires aux comportements dynamiques observés.
Au cœur de ce système se trouve l'oscillateur protéique KaiABC qui, in vitro, présente des oscillations auto-entretenues disparaissant en dessous d'une température critique via une bifurcation de Hopf. Près de cette transition, la dynamique est bien décrite par une équation de Stuart–Landau, qui fournit un modèle réduit simple et pertinent. Cependant, dans la cellule, le couplage avec d'autres processus modifie la façon dont les paramètres effectifs de l'oscillateur dépendent de la température. Deux explications principales ont été proposées : soit un rétrocontrôle positif dépendant de la température renforce les oscillations, soit un rétrocontrôle négatif retardé permet une compensation en température. À ce jour, les données expérimentales ne permettent pas de trancher entre ces deux scénarios. Pour répondre à cette question, le projet repose sur une approche « top-down » combinant perturbations ciblées et analyse quantitative. Des souches sauvages et des souches génétiquement modifiées, dans lesquelles certains circuits de rétroaction sont perturbés ou l'oscillateur Kai est maintenu dans un état non oscillant, seront étudiées. Les expériences seront réalisées par microscopie de fluorescence sur cellules vivantes, couplée à des dispositifs microfluidiques permettant de contrôler finement l'environnement, notamment via des cycles périodiques de lumière et de température. Ces forçages externes permettront d'explorer de manière systématique la réponse de l'oscillateur dans différents régimes dynamiques.
Les résultats expérimentaux seront comparés de manière quantitative aux prédictions de modèles d'oscillateurs non linéaires réduits. L'analyse de la réponse du système aux variations de fréquence, d'amplitude et de température permettra d'identifier des signatures propres à chaque scénario. Cette démarche aidera à concevoir des expériences capables de discriminer clairement entre les modèles proposés.
En combinant contrôle expérimental et modélisation minimale, ce projet vise à mieux comprendre les principes qui gouvernent les oscillations circadiennes dans les systèmes vivants. Plus largement, il contribuera à une approche physique des dynamiques robustes issues de réseaux biochimiques complexes.
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Biological clocks are ubiquitous in living organisms, from bacteria to humans. These circadian oscillators are self-sustained, exhibit a period of approximately 24 hours, and display a remarkable robustness to temperature variations, maintaining an almost constant period despite changes in reaction rates. However, the principles governing this robustness and adaptability remain only partly understood. This PhD project aims to develop a simplified and quantitative description of the circadian clock in the cyanobacterium Synechococcus elongatus, a key model organism for biological timekeeping. By combining controlled experiments with theoretical modeling, the project seeks to connect molecular mechanisms to emergent dynamical behavior.

At the core of this system lies the KaiABC protein oscillator, which, in vitro, exhibits sustained oscillations that disappear below a critical temperature through a Hopf bifurcation. Close to this transition, the dynamics are well captured by a Stuart–Landau model, providing a minimal and physically transparent description. However, within living cells, coupling to additional regulatory processes modifies this behavior, effectively changing the oscillator parameters in a temperature-dependent way. Two main hypotheses have been proposed to explain this effect: either a temperature-dependent positive feedback enhances the oscillations, or a time-delayed negative feedback ensures stability through temperature compensation. At present, experimental evidence does not allow these mechanisms to be clearly distinguished.

To address this question, the project will follow a top-down approach combining targeted perturbations and quantitative analysis. Both wild-type and engineered strains—where specific feedback pathways are disrupted or the Kai oscillator is held in a non-oscillatory state—will be investigated. Using live-cell fluorescence microscopy coupled with microfluidic control, cells will be subjected to well-defined environmental conditions, including periodic cycles of light and temperature. These controlled perturbations will enable a systematic exploration of the oscillator's response across different dynamical regimes.

The experimental results will be directly compared to predictions from reduced nonlinear oscillator models. In particular, the response to variations in forcing frequency, amplitude, and temperature will be analyzed to identify signatures specific to each feedback scenario. This combined strategy will guide the design of experiments that maximize sensitivity to the underlying mechanisms.

By integrating precise experimental control with minimal theoretical modeling, this project aims to uncover the effective principles governing circadian oscillations in living systems. More broadly, it will contribute to a general physics-based understanding of how complex biochemical networks give rise to robust and adaptive dynamics.
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Début de la thèse : 01/10/

Funding category

Public funding alone (i.e. government, region, European, international organization research grant)

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Concours pour un contrat doctoral