Cette thèse étudie l’influence des fluctuations de l’environnement au cours de l’évolution sur l’architecture fonctionnelle des protéines.L’apparition de groupes restreints d’acides aminés – les secteurs, possédant des propriétés particulières tant du point de vue structurel et évolutif que fonctionnel ne trouve en effet pas d’explication simple dans le paradigme classique de la physique des protéines. Nous avons donc choisi d’étudier le rôle de l’histoire évolutive dans la construction de cette architecture particulière et des propriétés qui en découlent.Nous avons pour cela construit un modèle de protéine fonctionnelle inspiré des modèles de réseaux élastiques, que nous avons soumis à une évolution in silico en variant au cours du temps, avec différentes fréquences, la fonction recherchée. Nous avons montré que ces fluctuations induisent une concentration semblable à celle observée dans les protéines et avons pu déterminer les paramètres clés contrôlant ce phénomène. Nous avons finalement abordé le lien entre la statistique temporelle de l’environnement et l’apparition de différents secteurs indépendants. / This thesis studies the influence of an evolutionary fluctuating environment on the functional architecture of proteins.The appearance of restricted groups of amino acids – sectors, with particular functional, evolutional and structural properties has no simple explanation in the classical paradigm of proteins physics. So we choose to study the role of evolutionary history on the construction of this particular architecture and the resulting properties.We have thus constructed a model of functional protein inspired by the elastic network models, that we have evolved in silico while temporarily varying the targeted function with various frequencies. We have shown that these fluctuations induce a form of sparsity close to that observed in proteins and has identified the key parameters of this phenomenon. We finally investigate the link between the temporal statistics of the environment and the appearance of different independent sectors.

Social amoebae are eukaryotic organisms that inhabit soil of almost every climate zone. They are remarkable for their switch from unicellularity to multicellularity as an adaptation to starvation. When starved, millions of single cells aggregate and form a multicellular fruiting body, which contains reproductive spore cells and dead stalk cells, which help in spore dispersion. This costly behavior made social amoebae a model system for addressing major questions of the evolution of cooperation and multicellularity. In this study we look at three different aspects of social amoebae behavior; aggregation, non-aggregation and competition, and ask how they contribute to our understanding of cooperation in social amoebae and microbial systems in general.We explored the known but neglected observation that, upon starvation, not all cells aggregate and engage in multicellular development. We describe phenotypically and genetically non-aggregating cell proportion in D. discoideum species. Both aggregating and non-aggregating strategy are costly or beneficial depending on duration of starvation. With our computational model we propose that partitioning the population into unicellular and multicellular states is adaptive in fluctuating environments with unpredicted duration of starvation periods. Social amoebae may therefore lie at the intersection of cooperation and bet-hedging. In the second part, we provide a new framework for addressing the contrasting observations of high genetic diversity in natural populations of social amoebae and experimentally suggested low diversity-high relatedness required for cooperation. We propose that complex life cycle of social amoebae provides multiple competition points that can possibly play an important role in maintaining diversity and cooperation. We explore this experimentally and computationally by looking at competition over the whole life cycle between 6 natural isolates of D. discoideum. Our simulation model indicates that competition at different stages of the life cycle can lead to exclusion of "social winners". Though we failed to explain strain coexistence. Although preliminary, our results emphasize the importance of integrating species ecology in cooperative studies.Finally, we focus on a new aggregation dynamics in P. pallidum species observed in our lab. Aggregation is a population level process during which population gets divided into numerous subpopulations/aggregates that face selection independently. Such population partitioning can have strong evolutionary consequences on cooperation that have not yet been explored experimentally. We describe the population dynamics qualitatively and propose several quantitative measurements of population partitioning into aggregates. Our preliminary results suggest that there is a preference for aggregates of certain size, but there is no spatial organization of aggregates.

Les organismes vivent dans des environnements dynamiques. Or la plupart des approches expérimentales étudient la fonction et la sélection des gènes dans des environnements statiques. De ce fait, la sélection naturelle agissant en environnements fluctuants reste mal comprise. L´objectif de mon projet a été de déterminer si certains gènes sont particulièrement importants pour la fitness (taux de croissance) de cellules de levures en environnements oscillants. Un crible génomique, basé sur une automatisation de micro-cultures et sur un multiplexage de banques de séquençage, m´a permis de mesurer la fitness de milliers de mutants nuls en conditions de stress périodique. J´ai trouvé que la prédictibilité de la fitness en environnements périodiques, à partir de la fitness en environnements statiques, diffère selon les gènes et les conditions. Ainsi, certains mutants présentent des croissances similaires en conditions statiques mais différentes en conditions dynamiques. Curieusement, quelques gènes jouent un rôle bivalent : ils favorisent fortement la croissance lors de fluctuations lentes et ils la défavorisent lors de fluctuations rapides. J´ai également observé de nombreux mutants avec une croissance plus élevée qu´attendue aux fréquences de fluctuations les plus rapides. Cet effet s´explique partiellement par une perte de sensibilité environnementale de ces mutants, qui continuent à se diviser rapidement malgré la présence d´un stress. Ces résultats montrent comment la sélection naturelle agit sur les mutations en environnements fluctuants. Ils ouvrent la porte à des études mécanistiques de la prédictibilité de la fitness en environnements périodiques. / Organisms live in dynamic environments. However, most experimental approaches study the function and selection of genes in steady environments. Therefore, natural selection acting on fluctuating environments remains poorly understood. The objective of my project was to determine if some genes are especially important for fitness (growth rate) of yeast cells in oscillating environments. A genomic screen, based on an automation of micro-cultures and on a multiplexing of sequencing libraries, allowed me to measure fitness of thousands of null mutants in periodic stress conditions. I found that predictability of fitness in periodic stress, from fitness in steady environments, varies depending on the specific genes and conditions considered. This way, some mutants have similar growth in steady conditions, and different growth in dynamic conditions. Curiously, some genes play a bivalent role: they strongly favor growth during slow fluctuations, and reduce it during fast fluctuations. I also observed many mutants with higher growth than expected at the highest frequencies of fluctuations. This effect can be partially explained by a loss of environmental sensitivity of those mutants, that continue to divide quickly despite the presence of a stress. Those results show how natural selection can act on mutations in fluctuating environments. They open the door to mechanistic studies of the predictability of fitness in periodic environments.

Dans cette thèse, nous nous sommes intéressés aux appendiculaires, et plus particulièrement à l'espèce Oikopleura dioica, qui appartiennent au groupe du mésozooplancton. Toutes leurs particularités découlent principalement de leurs caractéristiques anatomiques et physiologiques : ils sécrètent une extra-structure, appelée logette, dans laquelle ils vivent dont ils contrôlent le contenu qualitatif et quantitatif en nourriture. Nous avons développé un modèle détaillant les processus liés à l'acquisition d'énergie chez Oikopleura dioica, à savoir la filtration, l'ingestion et l'assimilation. Le modèle proposé reproduit plusieurs données de la littérature, et notamment l'accumulation de nourriture dans la logette, tout en proposant une formulation originale de l'ingestion et de l'assimilation. Les résultats suggèrent qu'à de faibles valeurs de concentration alimentaire la taille des pelotes fécales n'ait pas la même proportionnalité par rapport à la taille de l'organisme qu'à des valeurs de concentration plus importantes. Egalement, il apparaît que la logette constitue une structure pouvant retarder d'une heure et demie le début de la perception d'une période de rupture alimentaire du milieu par l'organisme. En utilisant la théorie des budgets dynamiques d'énergie (DEB), nous avons élaboré un modèle standard ne représentant pas explicitement les logettes ni leurs effets sur les processus d'acquisition de l'énergie. Nous avons ensuite, sur la base de ce premier modèle sans logette, décliné une seconde version du modèle représentant explicitement les logettes ainsi que leurs effets sur les processus d'acquisition de l'énergie. / In this thesis, we studied the appendicularian, specifically the species Oikopleura dioica, which are members of the mesozooplankton group. Their particular features are due to their anatomical and physiological characteristics: they secrete an extra-corporal structure, called house, where they live and use as food reservoir. As such, they control its qualitative and quantitative content. We developed a model detailing the processes of filtration, ingestion and assimilation. We formulated an original mathematical representation of the physiology of this organism which integrates the current knowledge about the above-mentioned processes. The simulations results were used to investigate the mechanisms involved in the production of fecal pellets. The results suggest that the proportionality between fecal pellet size and organism size is not the same for low and high values of environmental food concentration. Moreover the house could delay of about one and half hours the organism perception of the beginning of an alimentary interruption.Using the Dynamic Energy Budget (DEB) theory, we developed a standard model which does not take into account the house production nor its impacts on energy acquisition processes. We then proposed a second version of the model which explicitly represents the houses and their effects on energy acquisition process. The results about sizes simulations are significantly different between the two model versions.

Les amibes sociales sont des organismes eucaryotes présents dans le sol de presque toutes les zones climatiques. Ils sont remarquables pour leur passage d'un état unicellulaire à un état multicellulaire en réponse à la carence en nutriments. En période de carence, des millions de cellules forment des agrégats qui constituent chacun un nouvel organisme multicellulaire, contenant des spores, cellules reproductives, et des cellules de tige, cellules mortes qui favorisent la dispersion des spores. Ce comportement, de par le coût payé par les cellules de tige, a permis d'utiliser les amibes sociales en tant que système-modèle pour aborder des questions majeures de l'évolution de la coopération et de la multicellularité. Dans cette étude, nous examinons trois aspects différents du comportement des amibes sociales; agrégation, non-agrégation et compétition, et nous analysons comment ces aspects contribuent à notre compréhension de la coopération chez les amibes et systèmes microbiens en général.Nous avons exploré le fait bien connu mais négligé qu'en phase de carence nutritive, une fraction des cellules ne participent pas à la formation des agrégats pas et ne sont pas engagées dans le développement multicellulaire. Nous décrivons les facteurs phénotypiques et génétiques qui déterminent la fraction de cellules hors-agrégats chez D. discoideum. Les deux stratégies, d'agrégation et de non-agrégation, sont coûteuses ou bénéfiques d'un point de vue évolutif selon la durée de la phase de carence. Nous avons développé un modèle pour simuler ce processus. Nous proposons que le partitionnement de la population dans des états unicellulaire et multicellulaire est adaptative dans des environnements fluctuants avec une durée imprévisible des périodes de carence nutritive. Les amibes sociales sont donc situées à l'intersection de deux thèmes émergents en évolution microbienne, la coopération et le "placement des paris".Dans la deuxième partie, nous proposons un nouveau cadre pour aborder les observations a priori contradictoires de la diversité génétique dans les populations naturelles d'amibes sociales et une faible diversité nécessaire pour la coopération. Nous proposons que le cycle de vie complexe des amibes sociales fournit plusieurs points de compétition qui peut servir à la fois comme stabilisateur de la diversité et de la coopération. Nous explorons cette hypothèse expérimentalement avec un modèle en analysant la compétition entre 6 isolats naturels de D. discoideum. Notre simulation-modèle indique que la compétition à différents stades du cycle de vie peut conduire à l'exclusion des "gagnants sociaux". Toutefois nous n'avons pas réussi à expliquer la coexistence à long terme de souches génétiquement distinctes. Bien que préliminaires, nos résultats soulignent l'importance d'intégrer l'écologie des espèces dans les études de coopération microbienne.Enfin, nous nous concentrons sur une nouvelle dynamique d'agrégation chez P. pallidum observée dans notre laboratoire. L'agrégation est un processus au niveau de la population au cours duquel la population se divise en nombreuses sous-populations (agrégats) qui font face à la sélection de manière indépendante. Un tel fractionnement de la population peut avoir de fortes conséquences évolutives du point de vue de la coopération qui n'ont pas encore été explorées expérimentalement. Nous décrivons la dynamique des populations qualitativement et proposons plusieurs mesures quantitatives de partitionnement de la population en agrégats. Nos résultats préliminaires suggèrent qu'il existe une préférence pour les agrégats d'une certaine taille, mais qu'il n'existe aucune organisation spatiale des agrégats. / Social amoebae are eukaryotic organisms that inhabit soil of almost every climate zone. They are remarkable for their switch from unicellularity to multicellularity as an adaptation to starvation. When starved, millions of single cells aggregate and form a multicellular fruiting body, which contains reproductive spore cells and dead stalk cells, which help in spore dispersion. This costly behavior made social amoebae a model system for addressing major questions of the evolution of cooperation and multicellularity. In this study we look at three different aspects of social amoebae behavior; aggregation, non-aggregation and competition, and ask how they contribute to our understanding of cooperation in social amoebae and microbial systems in general.We explored the known but neglected observation that, upon starvation, not all cells aggregate and engage in multicellular development. We describe phenotypically and genetically non-aggregating cell proportion in D. discoideum species. Both aggregating and non-aggregating strategy are costly or beneficial depending on duration of starvation. With our computational model we propose that partitioning the population into unicellular and multicellular states is adaptive in fluctuating environments with unpredicted duration of starvation periods. Social amoebae may therefore lie at the intersection of cooperation and bet-hedging. In the second part, we provide a new framework for addressing the contrasting observations of high genetic diversity in natural populations of social amoebae and experimentally suggested low diversity-high relatedness required for cooperation. We propose that complex life cycle of social amoebae provides multiple competition points that can possibly play an important role in maintaining diversity and cooperation. We explore this experimentally and computationally by looking at competition over the whole life cycle between 6 natural isolates of D. discoideum. Our simulation model indicates that competition at different stages of the life cycle can lead to exclusion of “social winners”. Though we failed to explain strain coexistence. Although preliminary, our results emphasize the importance of integrating species ecology in cooperative studies.Finally, we focus on a new aggregation dynamics in P. pallidum species observed in our lab. Aggregation is a population level process during which population gets divided into numerous subpopulations/aggregates that face selection independently. Such population partitioning can have strong evolutionary consequences on cooperation that have not yet been explored experimentally. We describe the population dynamics qualitatively and propose several quantitative measurements of population partitioning into aggregates. Our preliminary results suggest that there is a preference for aggregates of certain size, but there is no spatial organization of aggregates.