Le terme symbiose recouvre tous types d'interactions entre espèces et peut être défini comme une association étroite d'espèces différentes vivant ensemble. De telles interactions impliquant des micro-organismes présentent un intérêt particulier pour l'agriculture, la santé, et les questions environnementales. Tous les types d'interactions entre espèces tels que le mutualisme, le commensalisme, et la compétition, sont omniprésents dans la nature et impliquent souvent le métabolisme. La libération de métabolites par des organismes dans l'environnement permet à d'autres individus de la même espèce ou de différentes espèces de les récupérer pour leur usage propre. Dans cette thèse, nous étudions comment les interactions entre espèces façonnentl'environnement. Nous examinons les questions de (i) quels sont les besoins minimaux en éléments nutritifs pour établir la croissance, et (ii) quels métabolites peuvent être échangés entre un organisme et son environnement. L'énumération de tous les ensembles minimaux stoechiométriques de précurseurs et de tous les ensembles minimaux de métabolites échangés,en utilisant des modèles complets de réseaux métaboliques, fournit un meilleur aperçu des interactions entre les espèces. Dans un environnement spatialement homogène, les métabolites qui sont libérés dans un tel environnement sont partagés par tous les individus. Le problème qui se pose alors est de savoir comment les tricheurs, les individus qui profitent des métabolites libérés sans contribuer au bien public, peuvent être exclus de la population. Ceci et d'autres configurations ont déjà été modélisées avec des approches de la théorie des jeux et de l'économie. Nous examinons comment les concepts d'ensembles minimaux de précurseurs stoechiométriques et d'ensembles minimaux de composés échangés peuvent être introduits dans ces modèles / Symbiosis, a term that brings all types of species interaction under one banner, is defined as a close association of different species living together. Species interactions that comprise microorganisms are of particular interest for agriculture, health, and environmental issues. All kinds of species interactions such as mutualism, commensalism, and competition, are omnipresent in nature and occur often at the metabolic level. Organisms release metabolites to the environment which are then taken up by other individuals of the same or of different species. In this thesis, we study how species interactions shape the environment. We examine the questions of (i) what are the minimal nutrient requirements to sustain growth, and (ii) which metabolites can be exchanged between an organism and its environment. Enumerating all minimal stoichiometric precursor sets, and all minimal sets of exchanged metabolites, using metabolic network models, provide a better insight into species interactions. In a spatially homogeneous environment, the metabolites that are released to such an environment are shared by all individuals. The problem that then arises is how cheaters, individuals that profit from the released metabolites without contributing to the public good, can be prevented from the population. This and other configurations were already modeled with approaches from game theory and economics. We examine how the concepts of minimal stoichiometric precursor sets and minimal sets of exchanged compounds can be introduced into such models

Lors de cette thèse, je me suis intéressée à la modélisation du métabolisme des micro-organismes. Nous nous sommes focalisé sur le métabolisme des petites molécules qui ne prend pas en compte les réactions associées aux macromolécules, telle que la synthèse des protéines.Nous avons ainsi utilisé différents formalismes de modélisation.Tout d'abord, nous avons développé TOTORO où les réseaux métaboliques sont représentés par des hypergraphes dirigés et qui permet d'identifier les réactions ayant participé à une transition métabolique. TOTORO a été utilisé sur un jeu de données sur la levure en présence de cadmium. Nous avons pu montrer que nous retrouvons les mécanismes connus de désintoxication.Ensuite, en utilisant une méthode de modélisation par contraintes, nous discutons d'un développement en cours, KOTOURA, qui propose d'utiliser les connaissances actuelles de concentrations de métabolites entre différentes conditions pour inférer de manière quantitative les possibles asynchronies des réactions lors du passage d'un état stable à un autre. Nous avons testé son implémentation sur des données simulées.Enfin, nous proposons MULTIPUS, une méthode d'extraction d'(hyper)-arbres de Steiner dirigés qui permet de sélectionner les voies métaboliques pour la production de composés au sein d'une communauté bactérienne. Les réseaux métaboliques sont modélisés en utilisant des hypergraphes dirigés et pondérés. Nous proposons un algorithme de programmation dynamique paramétré ainsi qu'une formulation utilisant la programmation par ensemble réponse. Ces deux propositions sont ensuite comparées dans deux cas d'applications / In this PhD work, we proposed to model metabolism. Our focus was to develop generic models, that are not specific to one organism or condition, but are instead based on general assumptions that we tried to validate using data from the literature.We first present TOTORO that uses a qualitative measurement of concentrations in two steady-states to infer the reaction changes that lead to differences in metabolite pools in both conditions.TOTORO enumerates all sub-(hyper)graphs that represent a sufficient explanation for the observed differences in concentrations. We exploit a dataset of Yeast (Saccharomyces cerevisiae) exposed to cadmium and show that we manage to retrieve the known pathways used by the organisms. We then address the same issue, but using a constraint-based programming framework, called KOTOURA, that allows to infer more quantitatively the reaction changes during the perturbed state. We use in this case exact concentration measurements and the stoichiometric matrix, and show on simulated datasets that the overall variations of reaction fluxes can be captured by our formulation.Finally, we propose MULTIPUS, a method to infer microbial communities and metabolic roads to produce specific target compounds from a set of defined substrates. We use in this case a weighted directed hypergraph. We apply MULTIPUS to the production of antibiotics using a consortium composed of an archae and an actinobacteria and show hat their metabolic capacities are complementary. We then infer for another community the excretion of an inhibitory product (acetate) by a 1,3-propanediol (PDO) producer and its consumption by a methanogene archae