To address possible cell-to-cell heterogeneity in growth dynamics of isogenic cell popula- tions of Chlamydomonas reinhardtii, we developed a millifluidic drop-based device that not only allows the analysis of populations grown from single cells over periods of a week, but is also able to sort and collect drops of interest, containing viable and healthy cells, which can be used for further experimentation. In this study, we used isogenic algal cells that were first synchronized in mixotrophic growth conditions. We show that these synchronized cells, when placed in droplets and kept in mixotrophic growth conditions, exhibit mostly homoge- neous growth statistics, but with two distinct subpopulations: a major population with a short doubling-time (fast-growers) and a significant subpopulation of slowly dividing cells (slow- growers). These observations suggest that algal cells from an isogenic population may be present in either of two states, a state of restricted division and a state of active division. When isogenic cells were allowed to propagate for about 1000 generations on solid agar plates, they displayed an increased heterogeneity in their growth dynamics. Although we could still identify the original populations of slow- and fast-growers, drops inoculated with a single progenitor cell now displayed a wider diversity of doubling-times. Moreover, popula- tions dividing with the same growth-rate often reached different cell numbers in stationary phase, suggesting that the progenitor cells differed in the number of cell divisions they could undertake. We discuss possible explanations for these cell-to-cell heterogeneities in growth dynamics, such as mutations, differential aging or stochastic variations in metabolites and macromolecules yielding molecular switches, in the light of single-cell heterogeneities that have been reported among isogenic populations of other eu- and prokaryotes.

En 10 ans le coût du séquençage d’un génome a été divisé par 10 000. Alors qu’il fallait trois ans pour séquencer le génome humain il ne faut plus que 10 jours avec les séquenceurs de dernière génération. Ces progrès technologiques sur la « lecture » du code génétique ont des répercussions sur de nombreux domaines de la biologie.

L'utilisation des antibiotiques est un procédé curatif très courant (parfois trop), utilisé contre les infections microbiennes. La désinfection d'agents pathogènes est précédée d'études portant sur l'action des antibiotiques à l'égard des bactéries. Les micro-organismes possèdent naturellement une résistance à un sous dosage en antibiotique. Il existe une concentration minimale en antibiotique, relative à chaque espèce microbienne, à partir de laquelle il est possible d'inhiber les organismes. Cette concentration seuil est appelée la Concentration Minimale Inhibitrice (CMI), c'est un critère essentiel à la détermination de la posologie d'un antibiotique. En ce qui concerne la détermination de la CMI d'un antibiotique sur un organisme, les méthodes de mesures se révèlent fastidieuses à mettre en place, et possèdent une faible résolution. Ces méthodes ont très peu évolué depuis leur création, seules des machineries automatisées ont pu faciliter les manipulations. L'utilisation de ces outils révèle que la CMI d'un antibiotique sur un organisme, dépend de la densité initiale de la population bactérienne. Mais surtout que cette dépendance n'est pas linéaire.

Au cours de ma thèse, nous avons développé un procédé expérimental permettant de mesurer la CMI d'un antibiotique. Le dispositif est fondé sur l'utilisation de la milli-fluidique pour concevoir des gouttes d'émulsion, qui sont les échantillons de mesures gérés de manière automatisée. L'utilisation de cette méthodologie a été réservée à la conception d'un gradient de concentration en antibiotique. Chaque échantillon, d'un train d'un millier de gouttes, contenant une quantité en antibiotique différente de sa voisine.Ce procédé donne la faculté de simplifier l'échantillonnage par rapport aux méthodes usuelles. Il permet de contrôler de manière précise l'environnement direct des cellules, et également d'identifier chaque échantillon. Donnant ainsi la capacité d'observer la dynamique de croissance dans les gouttes, et l'influence des paramètres environnementaux. La machine ainsi utilisée a permis d'affirmer et de compléter les informations de dépendance non linéaire entre la CMI et la densité initiale de cellules pour un couple antibiotique/bactérie.

We present a novel millifluidic droplet analyser (MDA) for precisely monitoring the dynamics of microbial populations over multiple generations in numerous (>10³) aqueous emulsion droplets (~100 nL). As a first application, we measure the growth rate of a bacterial strain and determine the minimal inhibitory concentration (MIC) for the antibiotic cefotaxime by incubating bacteria in a fine gradient of antibiotic concentrations. The detection of cell activity is based on the automated detection of an epifluorescent signal that allows the monitoring of microbial populations up to a size of ~10⁶ cells. We believe that this device is helpful for the study of population dynamic consequences of microbe-environment interactions and of individual cell differences. Moreover, the fluidic machine may improve clinical tests, as it simplifies, automates and miniaturizes the screening of numerous microbial populations that grow and evolve in compartments with a finely tuned composition.