Spatiotemporal control of cooperation in yeast communities
Contrôle spatio-temporel de la coopération chez des communautés de levures
Résumé
Natural microbial communities can often be spatially structured, with different species that interact and grow in a heterogeneous manner. Even among clonal colonies, nutrient uptake, inhibitory chemicals excretion or chemical communication considerably affect the individual cell microenvironment leading to cell-to-cell phenotypic differentiation. In both microbial ecology and evolution, spatial organization plays a key role in the population fate. While recent works are progressing in the rational design of microbial communities, there are few established methodologies to control, especially spatially, the functioning and development of microbial ecosystems. My PhD aims to get new insights in the role of spatial organisation in the interactions of microbial communities.
To this end I designed and optimised a Saccharomyces cerevisiae yeast strain for optogenetic control of the SUC2 invertase production, allowing to induce the local production of public goods with blue light. I built a custom experimental device to create with light and observe through time patterns of cooperator/cheater cells and used it to investigate the influence of spatial organisation on the development of such consortia. I found that this cooperator/cheater consortium acts as a spatial bandpass filter, filtering out short spatial fluctuations of cheater/cooperator phenotypes but also large areas of identical phenotypes. The results presented in this work show the importance of the spatiotemporal structuration in a cooperative system, due to gradients of diffusive molecules and phenotypic heterogeneity in the cell population. This represents a step toward better characterisations of microbial interaction length scales which can serve to deepen our understanding of natural microbiomes and to help designing synthetic ones.
Les communautés microbiennes naturelles sont souvent structurées spatialement, avec différentes espèces qui interagissent et se développent de manière hétérogène. Même dans le cas des colonies clonales, le microenvironnement individuel des cellules est affecté par la consommation des nutriments, l’excrétion de molécules inhibitrices ou les communications chimiques, menant à une différentiation phénotypique entre les cellules. Dans les domaines de l’écologie et de l’évolution microbienne, l’organisation spatiale joue un rôle déterminant dans le destin d’une population. Malgré les récents travaux portant sur le design rationnel
de communautés microbiennes, il y a par contre peu de méthodologies établies pour contrôler, surtout dans l’espace, ces associations microbiennes.L’objectif de ma thèse est de mieux comprendre le rôle de l’organisation spatiale dans les interactions des communautés microbiennes.
Pour se faire j’ai construit et optimisé une souche de levure Saccharomyces cerevisiae pour le control optogénétique de la production d’invertase SUC2, permettant d’induire la production locale de bien commun avec de la lumière bleue. J’ai construit un équipement expérimental sur mesure pour créer avec la lumière et observer au fil du temps des patterns de cellules coopératrices/tricheuses et je l’ai utilisé pour étudier l’influence de l’organisation spatiale sur le développement de ce genre de consortia. J’ai trouvé que ce consortium de
coopérateur/tricheur se comporte comme un filtre spatial passe-bande, filtrant les fluctuations spatiales courtes de phénotypes coopérateur/tricheur mais aussi les larges régions de phénotypes identiques. Les résultats présentés dans ce travail montrent l’importance de la structuration spatiotemporelle dans les systèmes coopératifs, due aux gradients de molécules diffusibles et à l’hétérogénéité phénotypique dans la population de cellules. Cela représente un pas vers une meilleure caractérisation des échelles spatiales des interactions microbiennes qui peut servir à approfondir notre compréhension des microbiomes naturels et à aider le design de microbiomes synthétiques.
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