Laboratoire Matière et Systèmes Complexes

Thèse de Agnese Curatolo effectuée sous la direction de Julien Tailleur.

Soutenance le vendredi 24 novembre 2017 à 14h00.

Lieu : bâtiment Halle aux Farines Salle 379F. La soutenance sera suivie d’un pot au 6e étage du bâtiment Condorcet.

Collective behaviours in living systems : from bacteria to molecular motors

Résumé :

Les systèmes vivants sont, par définition, hors d’équilibre. À toutes les échelles, de la réplication de l’ADN à l’intérieur des cellules, à la croissance des systèmes multicellulaires, au mouvement collectif de groupes d’animaux, l’énergie est prélevée de l’environnement pour alimenter tous les types de réactions chimiques, conduisant aux fonctions nombreuses et variées de l’organisme. La conséquence directe de ce “non-équilibre” est que il n’existe pas d’approches générales pour analyser les processus biologiques et il faut recourir à l’étude de la dynamiques propre au cas, différente pour chaque système ou problème. De plus, même l’identification des variables et des dégrées de liberté pertinents – nécessaires pour établir une description mathématique de la dynamique – est souvent une tache très difficile.

Dans cette thèse, nous étudions les comportements collectifs émergents de deux systèmes différents : d’abord, au niveau cellulaire, nous étudions la formation des motifs dans des colonies bactériennes ; ensuite, au niveau sous-cellulaire, nous considérons des moteurs moléculaires se déplaçant le long des filaments du cytosquelette. Pour les deux systèmes, nous montrons comment il est possible d’obtenir des descriptions hydrodynamiques de la dynamique collective, à partir de modèles microscopiques, c’est-à-dire en considérant la dynamique de chaque bactérie ou moteur. Nous étudions ensuite leur dynamique au niveau de la population et montrons comment il est possible de faire de bonnes prédictions sur les comportements collectifs. En particulier, dans les cas des dynamiques à plusieurs corps, nous étudions comment des interactions microscopiques, intrinsèquement hors d’équilibre, peuvent donner lieu à des transitions de phase à l’échelle de la population.

Abstract :

Living systems are, by definition, out of equilibrium. At all scales, from the replication of DNA inside cells, to the growth of multicellular systems, to the collective motion of groups of animals, energy is taken from the environment to supply all different kinds of chemical reactions, leading to the many and varied functions of the organism. The direct consequence of this “non-equilibriumness” is that there are no general approaches to analyse biological processes and one needs to resort to the study of case-specific dynamics, different for every system or problem. Moreover, even the identification of the relevant variables and degrees of freedom – necessary to establish a mathematical description of the dynamics – is often a very difficult task.

In this thesis we investigate emergent collective behaviours of two different systems : first, at the cellular level, we study pattern formation in bacterial colonies ; then, at the sub-cellular level, we consider molecular motors moving along the cytoskeleton filaments. For both systems, we show how it is possible to obtain hydrodynamic descriptions of the collective dynamics, starting from microscopic models, i.e., considering the dynamics of each single bacterium or motor. We then study their dynamics at the population level and show how it is possible to make good predictions on collective behaviours. In particular, at the many-body level, we investigate how intrinsically non-equilibrium microscopic interactions can give rise to phase transitions at the population scale.