Ride the Supercoiling: Evolution of Supercoiling-Mediated Gene Regulatory Networks through Genomic Inversions

Doctorant : Théotime GROHENS

Laboratoire INSA : LIRIS

Ecole doctorale : ED512 InfoMaths

Evolution is often considered an unpredictable process, as genetic mutations happen at random.
But the fixation of mutations is not completely arbitrary, as mutations need to pass the sieve of natural selection to be retained.
In particular, the beneficial or deleterious character of a mutation can depend on the genetic background in which it happens, an effect called epistasis.
In this work, I study a particular kind of epistatic interactions in bacteria: the interplay between mutations in the mechanisms regulating DNA supercoiling -- the level of over- or under- winding of DNA -- and genomic rearrangements. I present _EvoTSC_, a mathematical and computational model of DNA supercoiling tailored to study the mutual interaction between gene transcription and DNA supercoiling (the _transcription-supercoiling coupling_ or TSC), and integrated into a full-fledged evolutionary simulation.
I first validate the model by showing that evolution can leverage this coupling to evolve gene regulatory networks that are able to tune gene expression levels in response to environmental perturbations, by changing only the relative positions of the genes  through genomic inversions.
I then show that, in _EvoTSC_ as well as in the evolutionary simulation platform _Aevol_, introducing supercoiling mutations does not seem to speed up evolution, indicating that the evolutionary relevance of epistatic interactions might be not as important as initially thought.
Using _EvoTSC_, I additionally show that the TSC can lead some genes to be activated by an excess of positive supercoiling, providing a plausible mechanism to explain the similar behavior observed in many bacterial genes. Finally, I characterize the structure of these supercoiling-mediated gene regulatory networks, showing that they cannot be reduced to local pairwise interactions.
Interaction with many neighboring genes can indeed be needed to regulate gene expression through supercoiling, providing a possible explanation to the evolutionary conservation of gene syntenies.
 

Dans l’industrie, de nombreux process nécessitent de la production de chaleur. Dans une industrie agroalimentaire, les étapes de cuisson, de séchage ou de pasteurisation peuvent par exemple requérir des températures hautes qui pèsent sur le bilan énergétique de l’entreprise. Dans le contexte actuel, la hausse des prix de l’énergie et les problématiques d’approvisionnement poussent les industriels à s’interroger sur leurs pratiques.

Yoann Jovet, doctorant au CETHIL¹, laboratoire spécialiste de l’énergie et de la thermique, n’a pas attendu la crise de l’énergie pour se pencher sur la question. Depuis trois ans, le doctorant étudie les étapes du cycle de vie de la production de chaleur avec un objectif : établir une méthodologie capable d’intégrer les limites planétaires pour aider les entreprises dans leur prise de décision. En d’autres mots : trouver la meilleure alternative, économiquement viable et respectueuse des limites planétaires. Yoann Jovet explique.

Gaz, électricité, bois, propane, géothermie… Les sources d’énergie pour produire de la chaleur sont nombreuses et ont chacune leurs avantages et inconvénients. Comment une industrie choisit-elle la « meilleure » source d’énergie pour produire la chaleur nécessaire à ses activités ?
Dans une industrie, le processus de décision est régi par un grand nombre de paramètres. Il y a des contraintes techniques à prendre en compte, des législations à respecter et une économie à soutenir. Aujourd’hui, pour des questions diverses, d’approvisionnement, de durée de vie des systèmes, d’image, d’éthique ou d’économie, les industries s’intéressent à l’optimisation de leurs solutions énergétiques et cherchent à évoluer. Chaque source d’énergie possède ses propres caractéristiques, avantages et inconvénients. Par exemple, le gaz naturel offre des rendements intéressants et sa production prend peu de place, mais c’est une énergie d’origine fossile et son coût est soumis à des fluctuations. À l’inverse, le bois peut être une solution moins coûteuse, bénéficiant d’une filière durable en France, mais qui requiert de grands espaces de stockage. Pour prendre la décision, les entreprises étudient généralement ces différents critères sous le spectre de leurs propres besoins, grâce à des méthodologies. Seulement aujourd’hui, ces outils d’aide à la décision  « classiques » prennent rarement en compte l'ensemble des critères environnementaux, se limitant souvent au bilan carbone. Ils ne donnent pas un éclairage sur les limites planétaires liées au secteur faute de méthode dédiée aux problématiques industrielles. Mon travail se focalise sur les industries ayant un besoin de production de chaleur important, qui ne cherchent pas seulement à réduire leur empreinte carbone mais à s’intégrer dans une vision systémique de la problématique environnementale. En d’autres mots, je travaille à un outil capable de déterminer la meilleure solution technique pour respecter les limites planétaires en limitant les surcoûts. 

Comment sont calculés les impacts environnementaux de la production de chaleur dans une industrie à l’heure actuelle ? 
Aujourd’hui, on étudie principalement les émissions carbone lorsque l’on parle d’impact environnemental. Seulement, ces émissions n’ont en réalité qu’un impact direct sur une limite planétaire : le réchauffement climatique. C’est bien sûr une bonne chose car il y a encore cinq ans, les aspects environnementaux n’étaient que peu pris en compte dans les calculs. Aujourd’hui, il faut que les industries fassent un pas de plus et revoient leur système de prise de décision, en ouvrant ce prisme aux limites planétaires : les choix doivent être regardés sous le spectre de l’influence sur la biodiversité, l’érosion des sols, l’augmentation des aérosols dans l’atmosphère, l’occupation de l’espace, la consommation de ressource minérale et fossile, etc. La méthodologie sur laquelle je travaille cherche à anticiper les contraintes qui vont arriver, non pas en répondant à la question « quelle est la meilleure solution économique pour produire de la chaleur pour mon industrie », mais plutôt « quel est le coût économique d’une solution meilleure pour respecter les limites planétaires, tout en maintenant mon activité ». Il s’agit d’anticiper les contraintes environnementales et de les intégrer à la prise de décision. 

Vous vous êtes récemment rendu au Danemark pour travailler avec un laboratoire spécialisé sur la question des limites planétaires, le DTU Sustain. Pourquoi ?
Mon programme de doctorat prévoyait un séjour là-bas, en partie financé par le programme ERASMUS, pour développer la collaboration mise en place par le CETHIL. Le Department of Environmental and Resource Engineering de la Technical University of Denmark (DTU) est une entité de recherche pionnière sur l’étude des limites planétaires. Je m’y suis rendu pour comprendre comment les grands secteurs industriels impactaient chacune des limites. Par exemple, l’agriculture participe beaucoup à la modification de l’occupation des sols, qui est une des neuf limites planétaires définies. Le secteur de l’énergie lui, aura plus d’influence sur le réchauffement climatique ou la consommation de ressources. J’ai transposé cette méthodologie à mes travaux de thèse : en analysant le cycle de vie de la production de chaleur, je peux offrir une analyse environnementale qui ne fait plus seulement un comparatif entre deux produits, par exemple le gaz et l’électricité, mais qui prend aussi en compte les limites de la Terre.

Les limites planétaires (Stockholm Resilience Centre, CC BY)

Les industries devraient donc faire plus qu’établir un simple bilan carbone au moment d’analyser leurs impacts environnementaux ?
Effectivement. Le bilan carbone est bien sûr essentiel pour mesurer son impact sur le réchauffement climatique, mais celui-ci n’est pas la seule limite à prendre en compte. Il y a vingt ans, lorsqu’une industrie faisait son étude économique pour décider de l’énergie qu’elle allait utiliser, elle choisissait au moins cher, ce qui explique l’utilisation massive du gaz à l'heure actuelle. Aujourd’hui, si elle décide d’anticiper les contraintes qui vont arriver, elle devra intégrer des seuils maximums sur la pression que ses activités font peser sur les limites planétaires. Malheureusement, il n’existe pas forcément de méthodologie qui aille dans ce sens : au mieux, si elle veut être vertueuse, elle tentera de réduire son impact carbone ou plantera des arbres pour alléger celui-ci. En fait, ces méthodes de calculs se confrontent souvent à des objectifs de rentabilité qui sont mesurés sur du très court terme. Mais si on étend ces objectifs à une vision à long terme, il y a des décisions à prendre qui peuvent être plus intéressantes -économiquement- pour l’entreprise. 

Vous arrivez presque au terme de trois années d’étude sur le sujet. Quels sont les objectifs finaux de vos travaux de thèse ? 
Je souhaiterais pouvoir aboutir à une proposition de méthode qui fonctionne. Je ne cherche pas de vérité absolue mais une première approche qui permette de faire évoluer les lignes au sein d’industries dont les activités nécessitent une production de chaleur accrue et qui sont prêtes à avancer autrement. Le deuxième produit consisterait en un modèle d’optimisation, une sorte de logiciel qui permettrait, selon les machines et les process industriels d’analyser la meilleure solution technique pour produire cette chaleur. Mon objectif final serait surtout de pouvoir permettre un changement de cap et d’aller plus loin que le calcul : que les limites planétaires soient réellement comprises et intégrées au sein du monde industriel et que chaque entreprise puisse obtenir une réponse à la question : « quelle est la solution la plus soutenable pour mon industrie et la Terre ? ». 

[1] : Centre d’énergétique et de thermique de Lyon (INSA Lyon/CNRS/Lyon 1)

In situ compression of cerium oxides in environmental transmission electron microscopy

Doctorante : Rongrong ZHANG

Laboratoire INSA : MatéIS

Ecole doctorale : ED34 Matériaux de Lyon

Ceramic materials present excellent mechanical strength and are used in many fields. However, the most detrimental characteristic of ceramics is their brittleness, which restricts their application. Recent investigations have shown that nanoscale ceramic materials display superior plastic deformation than their bulk counterparts. This plastic behavior at the nanoscale might be interesting to improve the ceramic processing either by decreasing the energy needed during the process or by optimizing the microstructure obtained. However, few studies on plastic behavior of ceramic materials have been reported so far.
This study deals with cerium oxides nanocubes with sizes ranging between 20 and 130 nm. We use in-situ nanocompression tests in Environmental Transmission Electron Microscopy (ETEM) on isolated nanocubes. The cube geometry assures to test the cube along a known crystallographic direction <001>. During the test, stress/strain curves  are obtained from the sensor of the sample holder and coupled with video of the compressed nanoparticle.
Due to a reduction effect of the electron beam in the TEM, different structures are tested, from CeO2 to Ce2O3 depending on the experimental conditions (electron dose or presence of gas around the sample).
We conduct compression tests on bixbyite Ce2O3 and on fluorite CeO2. During compression of bixbyite, we observe the formation of perfect dislocations followed by their dissociation into partials with the formation of stacking faults. This mechanism can be compared to what is observed in FCC structures.
On fluorite CeO2, dislocations appear but rarely dissociate. By using several zone axes, dislocations can be indexed. With our results, the main slip system is identified as
<110>{111}. CeO2 also shows a strong size effect on strength. This size effect is found to depend on the electron dose rate and is reversible. It is discussed by using models from the literature and by considering the deformation mechanism.

Le Deeptech Tour met les projecteurs sur la Deeptech : des startups hautement technologiques qui façonnent le monde de demain, souvent issues de long travaux de recherche qui aboutissent sur une idée, une technologie qui changera notre quotidien. 

• Vous êtes chercheur et vous vous demandez comment donner davantage d’impact à vos travaux de recherche ? 
• Vous êtes doctorant et vous posez des questions sur l’après et sur votre employabilité ? 
• Vous êtes étudiant et souhaitez découvrir de nouvelles opportunités pour votre cursus et votre future carrière ?

Rejoignez le Deeptech Tour pour comprendre comment les projets Deeptech valorisent vos publications et votre thèse, comment les liens se tissent entre startup et monde de la recherche et comment vous lancer dans l’entrepreneuriat ; si cela vous tente. 

Derrière chaque startup Deeptech, il y a des individus qui étaient à votre place avant de se lancer. Ils et elles sont chercheurs, doctorants, étudiants ou entrepreneurs et ils ont décidé de valoriser leur travaux différemment. Venez les rencontrer, ils partageront avec vous leur histoire, leur parcours et leur passion. 

Au programme :

• Des tables rondes dont les maîtres mots sont concrets et actionnables
• Des retours d’expériences inspirationnels de personnes de ceux qui l’ont fait
• Des workshops en petits comités privilégiant l’échange et les interactions
• Des rencontres qui pourraient changer les choses 

Un évènement organisé par le département FEDORA (Formation par la Recherche et Études Doctorales) afin de récompenser les meilleurs travaux doctoraux de l’INSA Lyon.

Les lauréats 2021 :

Santé Globale et Bio-ingenierie
Nellie Della Schiava

Information et Sociétés Numériques
Jordan Bouaziz

Environnement : Milieux Naturels Industriels et Urbains
Géraldine Cabrera

Transport : Structures, infrastructures et Mobilités
Alice Dinsenmeyer

Energie pour un Développement Durable
Giulia Lombardi

Les écoles doctorales MEGA et Matériaux s'associent pour proposer leur école thématique annuelle "Approches Multi-Disciplinaires en Mécanique".

Cette école thématique pour objectif de proposer une formation scientifique à l’intention des doctorants, postdoctorants, enseignants-chercheurs et chercheurs intéressés par les concepts transversaux à la mécanique et combinant des aspects numérique, théorique et expérimental. Les thèmes abordés cette année concerneront en particulier la mécanique du vivant et les matériaux pour le vivant ainsi qu’une journée sur l’intelligence artificielle commune avec la 4^e semaine Scientifique Interdisciplinaire de l’EUR MANUTECH SLEIGHT.
 

Organisé depuis quelques années, l'accueil des nouveaux doctorants de l'INSA Lyon a pour objectif de les informer sur le doctorat et les différents acteurs intervenant tout au long de cette expérience professionnelle de recherche.

Les nouveaux doctorants seront accueills par Marie-Christine Baietto, Administratrice provisoire de l'INSA Lyon et Florence Popowycz, Directrice du Département FEDORA (Formation par la Recherche et Etudes Doctorales).

En présence du Service des Études Doctorales de l'Université de Lyon, de l'association ALUMNI (Association des anciens élèves), d'Emilie Poirson (Chargée d'archives à l'INSA Lyon), de Béatrice Weill-Bureau (Espace Carrières INSA Lyon), de Monique Joly (Directrice SCD Doc'INSA), de Valérie Grosjean (Service Scolarité). 

La journée se clôturera autour d'un cocktail de bienvenue.

• Evènement sur inscription => http://envue.insa-lyon.fr/20191003_doctorant/

Un événement est co-financé par les universités lyonnaises, l'EUR H20 et l'UMR 5600 EVS

Cet évènement international rassemblera des doctorant.e.s quelle que soit leur année d’inscription et de jeunes chercheur.e.s ayant récemment soutenu une thèse en sciences sociales ou humaines : économie, droit, sociologie, psychologie, anthropologie, sciences politiques, sciences de gestion, géographie, histoire, histoire de l’art, archéologie, philosophie.

L’objectif est de dresser un panorama des recherches récentes ou en cours et de mettre en réseau les jeunes chercheur.e.s sur la question « Eaux et sociétés » avec une pluralité d’approches et de questionnements. Conférences plénières, travail en sessions, film, présentation d’ouvrages etc. seront autant de formes pour en débattre.

Alberto Porras Vazquez, jeune doctorant tribologue espagnol à l’INSA Lyon, a reçu le 2^e prix du Best Poster lors du 45th Leeds-Lyon Symposium on Tribology. Il est actuellement en 2^e année de doctorat au sein du LaMCos (Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures, UMR 5259 INSA Lyon/CNRS), dans le cadre de la chaire SKF, leader mondial suédois du roulement mécanique. Rencontre. 

Quel est votre parcours ? En quoi consiste votre travail de thèse ?

« Je suis arrivé à l’INSA en 2015, au département GMC où j’étais en double diplôme avec l’Espagne, dont je suis originaire. J’y ai fait ma 3^e et 4^e année d’études d’ingénieur, et malgré les – parfois - douloureuses longues heures passées à réviser, je n’ai pas hésité à revenir à l’INSA pour mon doctorat à la rentrée 2017. Je connaissais déjà bien le LaMCos car mon frère y travaillait. Nous ne sommes pas jumeaux pour rien : lui aussi est doctorant au sein de la chaire SKF ! Mais nous n’évoluons pas sur les mêmes sujets de recherche. En tribologie, il est important de connaître les différents phénomènes qui influent sur la performance du roulement, comme la géométrie du contact, la dissipation thermique et énergétique ou le lubrifiant. Mon travail se concentre sur ce dernier phénomène : étudier la quantité de lubrifiant qui traverse un contact afin d’améliorer la durée de vie et la performance du roulement. Trois étudiants avaient commencé cette thèse avant moi ¹  et il est vrai qu’il y a peu de recherches sur ces types de contacts. Je travaille de façon numérique et expérimentale, en relation étroite avec la société SKF. Quant à ma participation au Leeds-Lyon, j’ai intitulé mon poster
« Investigations on the influence of lubricant stagnation in large-sise spinning contacts », soit « L’influence de la stagnation des lubrifiants dans les contacts rotatifs de grande-taille », mais puisque je n’avais pas encore de résultats à présenter, j’ai exposé ma méthodologie de travail. »  

Que ressentez-vous suite à l’obtention de ce prix ?

« C’était la deuxième fois que je participais au Leeds-Lyon. J’étais déjà très content de voir mon poster sélectionné parmi les 48 candidats dans les premières phases de la sélection, mais c’est encore plus gratifiant de se voir remettre le second prix. Le Leeds-Lyon est un évènement important dans le domaine de la Tribologie, et je suis ravi d’avoir pu rendre mes travaux visibles à des regards extérieurs à mon laboratoire. Je ne sais pas encore ce que je souhaite faire après ma thèse. Je suis attiré par le monde de l’entreprise mais je me vois aussi continuer en tant que chercheur postdoctoral. L’avenir nous le dira, mais en attendant, je m’en vais fêter ce second prix avec mes collègues de travail !»

 

[1] Hervé Dormois (2008), Thomas Doki-Thonon (2012) et Jean-David Wheeler (2016)

Tous les départements peuvent recruter suivant leurs besoins des doctorants régie par le décret 2016-1173 du 29 août 2016 applicable à compter du 1er septembre 2016.
Pour postuler, les doctorants doivent s'adresser directement aux différents départements.
Les doctorants concernés sont ceux possédant un contrat doctoral ministère, région ou normalien qui ont été recrutés depuis septembre 2016, ainsi que les futurs doctorants qui seront recrutés sur ces contrats pour l'année universitaire 2017-2018.

• Liste des demandes de "doctorants contractuels enseignants" de chaque département pour l'année 2017/2018. 
• Pour tous les détails sur le statut des doctorants : https://www.insa-lyon.fr/fr/statuts-doctorants