Thèse Exploration de la Mémoire Phototactique chez la Micro-Algue Modèle Chlamydomonas Reinhardtii H/F - Doctorat_Gouv

Établissement : Ecole normale supérieure - PSL
École doctorale : Physique en Ile de France
Laboratoire de recherche : Laboratoire de Physique de l'École normale supérieure
Direction de la thèse : Raphaël JEANNERET ORCID 0000000294449129
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-15T23:59:59

Les agents biologiques motiles (e.g. micro-algues, bactéries) constituent une classe essentielle de la matière active ayant reçu une attention particulière par la communauté de physiciens des systèmes complexes depuis une vingtaine d'années. Ces approches biophysiques ont permis une compréhension accrue de ces systèmes, via le développement de modèles stochastiques généralement Markoviens (i.e sans mémoire) permettant de décrire leurs comportements dans des situations simples, où l'environnement, bien que pouvant présenter des hétérogénéités spatiales, reste statique. Mais ces micro-organismes habitent des environnements naturels dynamiques, où leur capacité à percevoir l'environnement, intégrer l'information et réagir en conséquence est cruciale pour leur succès.

Pour les micro-algues, la lumière constitue une source d'énergie essentielle (via photosynthèse), mais peut aussi être dangereuse si trop intense. Ainsi, de nombreuses espèces ont la capacité de s'orienter en utilisant la lumière comme compas afin de migrer rapidement vers des régions d'éclairement adapté à leur besoin à chaque instant. Cela est médié par une transition entre deux comportements opposés : migrer vers des régions de plus hautes intensités (phototaxis positive) ou vers des régions de plus faibles intensités (phototaxis négative).

Récemment, nous avons montré que des effets mémoires agissant sur la transition entre phototaxis positive et négative permettaient de piéger les micro-algues C. reinhardtii à l'intérieur d'anneaux de lumière (G. Jacucci et al, ArXiv 2601.07741). Dans ce projet nous proposons de mettre en place des environnements lumineux hétérogènes et dynamiques pour les algues phototactiques grâce à l'utilisation d'un Modulateur Spatial de Lumière (SLM), afin de sonder les variables internes contrôlant cette transition entre phototaxis positive et négative. Ces environnements lumineux seront modulés sur une gamme d'échelle temporelle adéquate pour sonder ces effets mémoires (de la seconde à plusieurs dizaines de secondes). De plus, afin de comprendre plus finement le comportement des algues dans des gradients d'intensité de lumière, nous ferons du suivi de trajectoires en 3D, afin d'étendre les résultats obtenus pendant la précédente collaboration sur des algues confinées.

Cela permettra le développement de modèles théoriques prenant en compte explicitement la dynamique de variables internes aux particules actives et influençant leur motilité. Nos résultats pourront alors inspirer le développement de particules actives synthétiques ayant des propriétés « d'intelligence » similaires. En particulier, la compréhension et l'exploitation des effets de mémoire à court terme semblent essentielles pour la conception de micro-nageurs artificiels intelligents, dotés d'un transport et d'une localisation programmables, en tant que première étape vers des applications concrètes (médecine minimalement invasive comme la livraison ciblée de médicaments, dépollution de l'eau, etc.).

À l'inverse des particules auto-propulsées synthétiques, les agents biologiques comme les bactéries ou les micro-algues ont la capacité de percevoir leur environnement, de traiter les informations et d'adapter leur mouvement en conséquence. Un défi actuel en physique de la matière active est de comprendre et de contrôler le comportement de ces particules actives « intelligentes » dans des environnements complexes, où des couplages et des rétroactions non triviaux avec l'environnement se manifestent à travers la dynamique d'états internes. Dans ce projet, nous proposons d'étudier la réponse phototactique de la micro-algue Chlamydomonas reinhardtii dans des paysages optiques dynamiques façonnés à souhait via un modulateur spatial de lumière (SLM) afin de sonder les variables internes contrôlant la transition entre phototaxis positive et négative.

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L'étudiant utilisera des outils de microscopie vidéo, d'optique, d'analyse d'image, de culture de micro-algues, de microfluidique et d'analyse de données. Il utilisera aussi des concepts théoriques issus de la physique statistique et des processus stochastique, ainsi que des approches numériques. Un cursus universitaire en Physique ou Biologie Quantitative est recommandé.