Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Erwan Bigan effectuée sous la direction de Stéphane Douady et Jean-Marc Steyaert.

Soutenance le lundi 7 décembre 2015 à 14h.

Lieu : bâtiment Condorcet, salle 454A. La soutenance sera suivie d’un pot.

Minimal conditions for protocell growth

Résumé :

Cette thèse porte sur l’étude des propriétés d’un modèle générique de protocellule : un réseau conservatif de réactions chimiques opère à l’intérieur d’une membrane résultant de l’auto-assemblage d’un des produits du réseau chimique, membrane qui est semi-perméable à certains réactifs du réseau chimique qui jouent le rôle de nutriments (voir la figure). Ce modèle est utilisé pour déterminer les prérequis qui garantissent la compatibilité avec une réplication cellulaire, ainsi que pour explorer d’autres propriétés générales du vivant. La synchronisation de la croissance volumique et surfacique est nécessaire pour doubler, et le volume et la surface de la membrane, ce qui permet une division en deux cellules quasi-identiques à la cellule initiale. Cette thèse établit qu’une telle synchronisation est une propriété émergente qui ne requiert pas d’ajustement spécifique de paramètres cinétiques ou thermodynamiques. Dès lors que certaines conditions portant uniquement sur l’architecture du réseau chimique sont remplies, une telle croissance harmonieuse est garantie quels que soient les paramètres cinétiques ou les caractéristiques de la membrane. Un autre résultat de cette thèse est la clarification des mécanismes qui permettent l’isolation chimique entre l’extérieur et l’intérieur de la cellule, et qui font que les réactions biochimiques soient spécifiques de l’intérieur de la cellule. Cette clarification conduit à proposer un scénario évolutif pour l’émergence du transport actif. Enfin, cette thèse aborde également le couplage entre chimie et forme de la cellule : dans l’hypothèse où la membrane est si flexible que la forme de la cellule est principalement déterminée par l’équilibrage dynamique de l’osmolarité entre intérieur et extérieur de la cellule, la protocellule tend à croître de manière filamentaire. Ceci suggère que la filamentation, fréquente chez les microbres, puisse trouver son origine dans cette simple propriété physique.

Abstract :

This thesis investigates the properties of a generic protocell model. This model embeds any conservative chemical reaction network within a growing self-assembled membrane (see figure). The membrane precursor is one of the products of the reaction network, and the self-assembled membrane is semi-permeable to some reactants of the reaction network, which are nutrients flowing from the outside growth medium into the protocell. This model has been used to determine which chemical reaction network features are required to ensure compatibility with cellular replication, as well as to explain other general properties that are characteristic of living cells. Synchronization of volumic and surfacic growth is necessary to double both protocell volume and membrane surface area so that division into two cells, each quasi-identical to the original one, may be possible. This thesis proves that such synchronization is an emergent property, which does not require any specific tuning of kinetic or thermodynamic parameters. Provided simple conditions pertaining only to the reaction network architecture are met, such synchronization is granted for any reaction kinetic parameters or membrane characteristics. Another result is the clarification of mechanisms leading to chemical insulation between the inside and the outside of a cell. Such mechanisms make chemical reactions appear specific of the inside of the cell. This clarification has also led to propose an evolutionary scenario for the emergence of active transport. Finally, this thesis also addresses the coupling between chemistry and cellular shape : assuming the membrane is so flexible that the cellular shape primarily results from balancing the osmolarity inside and outside, the protocell tends to grow filamentous. This suggests that filamentation, which is widely observed in microbes, may find its origin in this simple physical property.