Ce travail présente un modèle théorique de morphogenèse animale, sous la forme d’un système complexe émergeant de nombreux comportements, processus internes, expressions et interactions cellulaires. Son implémentation repose sur un automate cellulaire orienté système multi-agents avec un couplage énergico-génétique entre les dynamiques cellulaires et les ressources.Notre objectif est de proposer des outils permettant l’étude numérique du développement de tissus cellulaires à travers une approche hybride (discrète/continue et qualitative/quantitative) pour modéliser les aspects génétiques, énergétiques et comportementaux des cellules. La modélisation de ces aspects s’inspire des principes de la théorie de la viabilité et des données expérimentales sur les premiers stades de division de l’embryon du poisson-zèbre.La théorie de la viabilité appliquée à la morphogenèse pose cependant de nouveaux défis en informatique pour pouvoir implémenter des algorithmes dédiés aux dynamiques morphologiques. Le choix de données biologiques pertinentes à considérer dans le modèle à proposer, la conception d’un modèle basé sur une théorie nouvelle, l’implémentation d’algorithmes adaptés reposant sur des processeurs puissants et le choix d’expérimentations pour éprouver nos propositions sont les enjeux fondamentaux de ces travaux. Les hypothèses que nous proposons sont discutées au moyen d’expérimentations in silico qui ont porté principalement sur l’atteignabilité et la capturabilité de formes de tissus ; sur la viabilité de l’évolution d’un tissu pour un horizon de temps ; sur la mise en évidence de nouvelles propriétés de tissus et la simulation de mécanismes tissulaires essentiels pour leur contrôlabilité face à des perturbations ; sur de nouvelles méthodes de caractérisation de tissus pathologiques, etc. De telles propositions doivent venir en appoint aux expérimentations in vitro et in vivo et permettre à terme de mieux comprendre les mécanismes régissant le développement de tissus. Plus particulièrement, nous avons mis en évidence lors du calcul de noyaux de viabilité les relations de causalité ascendante reliant la maintenance des cellules en fonction des ressources énergétiques disponibles et la viabilité du tissu en croissance. La dynamique de chaque cellule est associée à sa constitution énergétique et génétique. Le modèle est paramétré à travers une interface permettant de prendre en compte le nombre de coeurs à solliciter pour la simulation afin d’exploiter la puissance de calcul offerte par les matériels multi-coeurs. / This work presents a theoretical model of animal morphogenesis, as a complex system from which emerge cellular behaviors, internal processes, interactions and expressions. Its implementation is based on a cellular automaton oriented multi-agent system with an energico-genetic coupling between the cellular dynamics and resources. Our main purpose is to provide tools for the numerical study of tissue development through a hybrid approach (discrete/continuous and qualitative/quantitative) that models genetic, behavioral and energetic aspects of cells. The modeling of these aspects is based on the principles of viability theory and on experimental data on the early stages of the zebrafish embryo division. The viability theory applied to the morphogenesis, however, raises new challenges in computer science to implement algorithms dedicated to morphological dynamics. The choice of relevant biological data to be considered in the model to propose, the design of a model based on a new theory, the implementation of suitable algorithms based on powerful processors and the choice of experiments to test our proposals are fundamental issues of this work. The assumptions we offer are discussed using in silico experiments that focused on the reachability and catchability of tissue forms ; on the viability of the evolution of a tissue for a time horizon ; on the discovery of new tissue properties and simulation of tissue mechanisms that are fondamental for their controllability face to disruptions ; on new pathological tissue characterization methods, etc. Such proposals must come extra to support experiments in vitro and in vivo and eventually allow a better understanding of the mechanisms governing the development of tissues.In particular, we have highlighted through the computing of viability kernels the bottom causal relationship between the maintenance of cells according to available energy resources and the viability of the tissue in growth. The model is set through an interface that takes into account the number of cores to solicit for simulation in order to exploit the computing power offered by multicore hardware.

Malgré les modèles établis pour certaines bactéries, la morphogenèse de bactéries de formes atypiques est peu comprise. C'est le cas de la bactérie pathogène pour l'homme Streptococcus pneumoniae, ou pneumocoque, qui possède une forme ovo-diplococcale. Cependant, à mon arrivé au laboratoire, il avait été démontré qu'une sérine/thréonine protéine-kinase membranaire appelée StkP était indispensable à la division cellulaire et à la morphogenèse du pneumocoque. L'objectif de ma thèse a ainsi été de caractériser certains substrats de StkP et d'étudier leur rôle, ainsi que l'impact de leur phosphorylation, au cours du processus de division cellulaire. Dans ce contexte, j'ai montré que le substrat DivIVA et son paralogue GpsB coordonnent l'élongation et la division cellulaire du pneumocoque. Ces travaux permettent de proposer un nouveau modèle de morphogenèse du pneumocoque dans lequel la triade StkP/DivIVA/GpsB organise la synthèse de la paroi cellulaire nécessaire à l'élongation et à la division de la cellule. J'ai également mis en évidence que la protéine MapZ interagit avec la paroi cellulaire lors de l'élongation cellulaire afin de marquer de manière permanente le site de division, où elle recrute la protéine FtsZ. Ces travaux ont ainsi permis d'identifier un système inédit de régulation positive du positionnement du site de division chez les bactéries. Enfin, j'ai caractérisé les déterminants moléculaires du positionnement de MapZ au centre de la cellule. S. pneumoniae étant un pathogène humain important, nous pouvons anticiper que nos données pourraient servir de base fondamentale à des projets plus appliqués de lutte contre les infections bactériennes / Despite the established models for some bacteria, the morphogenesis of bacteria with atypical shapes is poorly understood. This is the case of the human pathogen Streptococcus pneumoniae, or pneumococcus, that displays an ovo-diplococcal shape. However, when I joined the lab, it had just been shown that a membrane serine/threonine kinase named StkP was crucial for the cell division and the morphogenesis of the pneumococcus. The goal of my thesis was to characterize the substrates of StkP and to study their function as well as the impact of their phosphorylation in the cell division process. First, I have shown that the substrate DivIVA together with its paralog GpsB coordinate cell elongation and division of the pneumococcus. Based on these observations, we propose a new model of pneumococcal morphogenesis in which the triad StkP/DivIVA/GpsB organizes cell wall synthesis involved in cell elongation and division. In a second part of my work, I have studied another substrate of StkP that was of unknown function and that we named MapZ. I have shown that MapZ interacts with the cell wall during the cell elongation to position at midcell. Then MapZ recruits the cell division protein FtsZ and controls the closure of the Z-ring. This work has uncovered a new mechanism of positive regulation for the positioning of the division site in bacteria. Finally, I characterized the molecular determinants of MapZ positioning at the division site. S. pneumoniae is an important human pathogen, we can thus anticipate that our work will represent a fundamental base for applied projects in order to develop new strategies against bacterial infections

Candida albicans est une levure pathogène qui, à l’état commensal, colonise les muqueuses de la cavité orale et du tractus gastro-intestinal. De nature opportuniste, C. albicans cause de nombreuses infections, allant des candidoses superficielles (muguet buccal, vulvo-vaginite) aux candidoses systémiques sévères. C. albicans a la capacité de se développer sous diverses morphologies, telles que les formes levures, pseudohyphes et hyphes. Des stimuli environnementaux mimant les conditions retrouvées chez l’hôte (température de 37°C, pH neutre, présence de sérum) induisent la transition levure-à-hyphe (i.e. morphogenèse ou filamentation). Cette transition morphologique contribue à la pathogénicité de C. albicans, du fait que des souches présentant un défaut de filamentation sont avirulentes. Non seulement la morphogenèse est un facteur de virulence, mais elle constituerait aussi une cible pour le développement d’antifongiques. En effet, il a déjà été démontré que l’inhibition de la transition levure-à-hyphe atténuait la virulence de C. albicans lors d’infections systémiques. Par ailleurs, des études ont démontré que de nombreuses molécules pouvaient moduler la morphogenèse. Parmi ces molécules, certains acides gras, dont l’acide linoléique conjugué (CLA), inhibent la formation d’hyphes. Ainsi, le CLA posséderait des propriétés thérapeutiques, du fait qu’il interfère avec un déterminant de pathogénicité de C. albicans. Par contre, avant d’évaluer son potentiel thérapeutique dans un contexte clinique, il est essentiel d’étudier son mode d’action. Ce projet vise à caractériser l’activité anti-filamentation des acides gras et du CLA et à déterminer le mécanisme par lequel ces molécules inhibent la morphogenèse chez C. albicans. Des analyses transcriptomiques globales ont été effectuées afin d’obtenir le profil transcriptionnel de la réponse de C. albicans au CLA. L’acide gras a entraîné une baisse des niveaux d’expression de gènes encodant des protéines hyphes-spécifiques et des régulateurs de morphogenèse, dont RAS1. Ce gène code pour la GTPase Ras1p, une protéine membranaire de signalisation qui joue un rôle important dans la transition levure-à-hyphe. Des analyses de PCR quantitatif ont confirmé que le CLA inhibait l’induction de RAS1. De plus, le CLA a non seulement causé une baisse des niveaux cellulaires de Ras1p, mais a aussi entraîné sa délocalisation de la membrane plasmique. En affectant les niveaux et la localisation cellulaire de Ras1p, le CLA nuit à l’activation de la voie de signalisation Ras1p-dépendante, inhibant ainsi la morphogenèse. Il est possible que le CLA altère la structure de la membrane plasmique et affecte indirectement la localisation membranaire de Ras1p. Ces travaux ont permis de mettre en évidence le mode d’action du CLA. Le potentiel thérapeutique du CLA pourrait maintenant être évalué dans un contexte d’infection, permettant ainsi de vérifier qu’une telle approche constitue véritablement une stratégie pour le traitement des candidoses. / The yeast Candida albicans is an inhabitant of the oral cavity, the gastrointestinal and genitourinary tracts of humans. Generally encountered as a commensal, it is also an opportunistic pathogen that causes a spectrum of infections, ranging from superficial mycoses (thrush, vulvovaginitis) to severe and life-threatening systemic infections. A striking feature of C. albicans is its ability to grow in different morphological forms, including budding yeasts, pseudohyphae, and hyphae. Environmental cues that mimic host conditions (elevated temperature, neutral or alkaline pH, and serum) induce the yeast-to-hypha transition. Morphogenesis is considered to be an attribute of pathogenesis, as mutants locked as yeasts or filamentous forms are avirulent. Given that the yeast-to-hypha transition is a virulence factor, it may also constitute a target for the development of antifungal drugs. Indeed, evidence has shown that impairing morphogenesis is a means to treat systemic candidiasis. Concurrently, a number of molecules have been reported to modulate morphogenesis in C. albicans. For instance, several fatty acids, including conjugated linoleic acid (CLA), inhibited the yeast-to-hypha transition. By interfering with an important attribute of C. albicans pathogenesis, CLA may harbor antifungal properties. However, before assessing its therapeutic potential in a clinical context, it is mandatory to address CLA’s mode of action. The present study aims to further characterize the hypha-inhibiting properties of fatty acids and CLA and to elucidate the mechanism by which these molecules inhibit the yeast-to-hypha transition in C. albicans. Gene expression analyses were performed to gain insight into the transcriptional response of cells to CLA on a genome-wide scale and to probe the fatty acid’s mode of action. CLA downregulated the expression of hypha-specific genes and blocked the induction of genes encoding regulators of hyphal growth, including that of RAS1, which encodes the small GTPase Ras1p. A membrane-associated signaling protein, Ras1p plays a major role in morphogenesis. Quantitative PCR analyses showed that CLA prevented the increase in RAS1 mRNA levels which occurred at the onset of the yeast-to-hypha transition. Unexpectedly, CLA reduced the steady-state levels of Ras1p. Additionally, CLA caused the delocalization of GFP-Ras1p from the plasma membrane. These findings indicate that CLA treatment results in suboptimal Ras1p cellular concentrations and localization, which impedes Ras1p signaling and inhibits the yeast-to-hypha transition. CLA may indirectly affect Ras1p localization by altering the structure of the plasma membrane. These studies have provided the mechanism underlying CLA’s hypha-inhibiting properties and may serve as the rationale to examine CLA’s therapeutic potential in the context of a Candida infection. There is a general lack of clinical evidence demonstrating that impairing morphogenesis is a sound approach to treat candidiasis. To remedy this situation, the therapeutic potential of molecules that modulate morphogenesis, such as CLA, should be clinically assessed.

Le développement d’un organisme multicellulaire requière la coordination de la croissance, détermination tissulaire et différenciation cellulaire. Cependant, alors que les bases de la génétique de la morphogenèse ont été rigoureusement étudiées, le processus permettant la conversion de l’activité génétique en des structures biologiques complexes est bien moins compris. Chez Arabidopsis thaliana, les feuilles et fleurs initiés à partir du Méristème Apical Primaire (MAP) ont une expression génétique casi similaire. Toutefois, leur forme est considérablement différente dès les premières étapes de leur développement. Une compréhension de ce paradoxe requière avant tout de précisément quantifier la croissance dans toutes les dimensions de ces organes. Dans cet article, je présente une méthode de quantification spatio-temporelle complète de la croissance et de la prolifération des feuilles et des fleurs chez A. thaliana. En analysant des séries d’images confocales, j’en ai conclu que la différence morphologique observée entre feuilles et fleurs émerge principalement d’une asymétrie de la distribution de la croissance entre leurs côtés abaxial et adaxial, tôt dans leur développement. Je montre que le tissue contribuant principalement au développement des primordia est la couche 2 (L2) chez les feuilles et la couche 3 (L3) chez les fleurs. Mes résultats préliminaires démontrent que les premiers signes de l’initiation d’organes est un changement de distribution de la croissance, et non de la prolifération. Dans le futur, en appliquant, par exemple, cette méthodologie à l’étude de gènes de développement, il sera possible de finalement réconcilier la morphogenèse et la génétique de l’initiation des plantes. / The development of a multicellular organism requires the proper coordination of growth, pattern determination and cell differentiation. Still, while the genetic basis of morphogenesis has been extensively studied, the process converting gene activity into intricate biological shapes is less understood. In Arabidopsis thaliana, flowers and leaves, both initiated from the shoot apical meristem (SAM), have a very similar genetic expression profile. Yet, their shape differs considerably from early developmental stages. A full comprehension of this paradox requires an accurate quantification of cellular growth in those organs. In this paper, I am presenting a methodology for the complete spatio-temporal quantitative analysis of growth and proliferation of initiating leaves and flowers in wild type Arabidopsis thaliana. By analyzing time series of leaf and flower confocal images, I conclude that the morphological differences observed between flowers and leaves mainly arises from asymmetrical distributions of growth between their adaxial and abaxial sides during their initiation. I show that the tissue that mainly contributes to the development of early primordium is the layer 2 (L2) in leaves, and the layer 3 (L3) in flowers. My preliminary results also demonstrate that the first signs of organ initiation are a change in growth distribution, not cell proliferation. In the future, by applying this methodology, for example, to study morphogen reporter lines, it could finally bridge the gap between the morphogenesis and the genetics of plant initiation.

Many cellular and molecular mechanisms are involved in the structural changes (morphogenesis) taking place during embryonic development. Indeed, the cytoskeleton is dynamically modified by intracellular signaling cascades, controlling cell morphogenesis during division or epithelial organization. Signal transduction mechanisms establishes homeostasis during morphogenetic processes. The cell cortex, composed by plasma membrane and underlying cytoskeleton meshwork, is responsible for integrating cell shape changes and organizing structural elements required for intercellular communication. The composition of the cell cortex is thus constantly changing in response to morphogenetic needs. However, the signaling network controlling this cortical plasticity is still unclear. This work has identified a new signaling pathway involved in cell cortex organization. The laboratories of Dr Carréno and Dr Hipfner use Drosophila as a model organism to study cell and tissue morphogenesis. Dr Carréno and Dr Hipfner had previously found that Ste20 Slik kinase was responsible for dMoesin activation by phosphorylation. dMoesin acts as a cross-linker between the cytoskeleton and the plasma membrane. This way, activation of dMoesin by Slik controls cortical stability during mitosis and epithelial integrity in Drosophila. This research project found that dSTRIPAK phosphatase activity promotes cortical localization of Slik in order to activate dMoesin at the plasma membrane. In addition, it showed that dSTRIPAK, as Slik and dMoesin, controls mitotic morphogenesis and epithelial tissue integrity. On top of that, Dr Hipfner has previously shown that Slik induces growth signaling at distance and independently of its catalytic activity. My research has led to the discovery that Slik is located along specialized signaling filopodia, called cytonemes. In addition, our data showed that Slik lengthens cytonemes, while dSTRIPAK is necessary for their biogenesis and signaling function. Slik and dSTRIPAK thus control tissue growth during the embryonic development of Drosophila. We have not determined the molecular mechanisms involved in the formation of cytonemes by dSTRIPAK/Slik yet. Together, our research projects led to the discovery that the dSTRIPAK complex regulates the catalytic and non-catalytic functions of Slik. We have thus identified a new signaling pathway controlling cell and tissue morphogenesis, through the cytoskeleton and intercellular communication. These processes are essential for maintaining homeostasis during embryogenesis. However, alteration of these morphogenetic processes can cause tumorigenesis. Our research might lead to the exploration of new anti-cancer therapeutic avenues. / De nombreux mécanismes moléculaires et cellulaires sont à la base des changements structurels (appelés la morphogenèse) qui ont lieu durant le développement d’un organisme. En effet, le cytosquelette est dynamiquement modifié par des cascades de signalisation intracellulaires contrôlant ainsi la morphogenèse cellulaire durant la division ou l’organisation d’un épithélium. L’homéostasie entre les différents processus morphogénétiques est établie grâce à des échanges de molécules signalisatrices. Le cortex de la cellule, composé de la membrane plasmique et du réseau de protéines du cytosquelette sous-jacent, est responsable d’intégrer les changements de forme cellulaire et d’organiser les éléments structurels requis pour la communication intercellulaire. Donc la composition du cortex cellulaire varie constamment en réponse aux besoins morphogénétiques. Toutefois, les réseaux de signalisation qui contrôlent cette plasticité corticale ne sont pas toujours connus. Ce travail a identifié une nouvelle voie de signalisation impliquée dans l’organisation du cortex cellulaire. Le laboratoire d’accueil (Dr Carréno) ainsi que celui du Dr Hipfner utilisent la drosophile comme organisme modèle pour l’étude fondamentale de la morphogenèse cellulaire et tissulaire. Le Dr Carréno et le Dr Hipfner avaient précédemment découvert que la kinase Ste20 Slik était responsable d’activer la dMoésine par phosphorylation. Celle-ci lie le cytosquelette à la membrane plasmique. L’activation de la dMoésine par Slik contrôle ainsi la stabilité corticale durant la mitose et l'intégrité épithéliale chez la drosophile. Durant mon projet de recherche, nous avons ensuite mis en évidence que le complexe phosphatase-kinase dSTRIPAK promeut la localisation corticale de Slik afin d’activer la dMoésine à la membrane plasmique. Nous avons également révélé que dSTRIPAK contrôle, tout comme Slik et dMoésine, la morphogenèse mitotique et l’intégrité du tissu épithélial. D'autre part, le Dr Hipfner avait précédemment constaté que Slik induisait une signalisation de croissance à distance, de façon indépendante de son activité catalytique. Mes recherches ont amené à découvrir que Slik est localisée le long de filopodes spécialisés dans la signalisation à distance, appelés cytonèmes. En outre, nos résultats révèlent que Slik allonge les cytonèmes, alors que dSTRIPAK est nécessaire à leur biogenèse et fonction de signalisation. Slik et dSTRIPAK contrôlent ainsi la croissance tissulaire au cours du développement embryonnaire de la mouche. Il reste à déterminer les mécanismes moléculaires impliqués dans la formation des cytonèmes par dSTRIPAK/Slik. Au final nos recherches ont mené à la découverte que le complexe dSTRIPAK régule les fonctions catalytiques et non-catalytiques de Slik. Nous avons ainsi identifié une nouvelle voie de signalisation contrôlant la morphogenèse cellulaire et tissulaire, par le biais du cytosquelette et de la communication intercellulaire. Ces processus sont essentiels au maintien de l’homéostasie durant l’embryogenèse. Toutefois, l’altération de ces processus morphogénétiques peut causer la tumorigenèse. Notre travail de recherche participe donc potentiellement à l’exploration de nouvelles stratégies thérapeutiques anti-cancéreuses.

Le développement des plantes nécessite la coordination des mécanismes de différenciation des cellules méristématiques en cellules hautement spécialisées: la division, la croissance et la formation de la géométrie cellulaire. La différenciation et la morphogenèse cellulaires sont étroitement liées et régulées par les propriétés mécaniques de la paroi cellulaire. Les mécanismes conduisant à l’émergence de diverses formes et fonctions des tissus végétaux sont complexes et encore peu compris. Ma thèse de doctorat approfondie les principes mécaniques à la base de la formation des cellules épidermiques ondulées. Je me suis également penché sur l’étude des avantages mécaniques que confèrent les motifs imbriqués. Les cellules épidermiques sont constituées de deux parois cellulaires périclines parallèles reliées par des parois anticlines. Aux jonctions, les cellules épidermiques forment des cavités et des saillies imbriquées les unes aux autres. Des images en 3D, prises en microscopie confocale, de cotylédons marqués par des fluorophores spécifiques à la cellulose montrent une déposition accrue de cellulose au niveau des cavités des parois périclines s’étendant le long des parois anticlines. Le marquage des cotylédons par COS488 démontre également une plus grande abondance de pectines dé-estérifiées aux mêmes sites. J'ai développé des modèles par éléments finis de la déformation de la paroi cellulaire et simulé les disparités biochimiques en alternant les régions plus rigides à travers et au long des parois périclines des deux côtés d'une paroi anticline. Le modèle montre que les parois rigidifiées non déformables se développent en cavités lorsque la pression interne étire la paroi cellulaire. Le modèle suggère également la présence de contraintes mécaniques plus élevées au niveau des saillies. Les résultats du modèle indiquent qu'une boucle de rétroaction positive entre la contrainte et la rigidité de la paroi cellulaire générerait les formes ondulées à partir de différences infinitésimales de rigidité ou de contrainte de la paroi cellulaire. En outre, le modèle suggère que des événements de flambage stochastiques peuvent initier la morphogenèse des cellules. On a longtemps émis l'hypothèse que le motif imbriqué de cellules épidermiques améliore l'adhérence cellule-cellule et donc la résistance de traction de l'épiderme. L'étirage des feuilles d'Arabidopsis de type sauvage ou du mutant any1 (caractérisé par une réduction de l'ondulation cellulaire) n'a montré aucun détachement cellulaire en cas de rupture du tissu. J'ai émis l'hypothèse que les jonctions des cellules ondulantes renforcent la résistance de l'épiderme contre la propagation de fissures. J'ai observé une grande anisotropie dans la réponse mécanique à la rupture de l'épiderme d'oignon selon l’orientation des cellules. Les fissures qui suivent l’alignement des cellules se propagent sans trop de résistance, entraînant une rupture fragile du tissu. Ceci découlerait de la propagation de la ligne de rupture par suite du détachement des cellules. Les fissures se propagent difficilement lorsqu’elles sont perpendiculaires à l'axe principal des cellules. En fracturant des feuilles dont les cellules épidermiques sont ondulées, j'ai remarqué que les fissures se propageaient, par intermittence, à la fois au niveau des jonctions de la cellule et de la paroi cellulaire. J'ai émis l'hypothèse que ce motif de fracture d'épiderme à cellules ondulées se caractérisait par une augmentation de la résistance à la fracture. Pour n’étudier que les effets de la géométrie des cellules sur cette résistance, j’ai éliminé le rôle que jouerait l’anisotropie des matériaux en concevant des modèles physiques macroscopiques de l'épiderme. J’ai gravé au laser des motifs cellulaires sur du poly-méthacrylate de méthyle. De cette façon, le matériau isotrope permettait d'étudier uniquement l'effet de la géométrie cellulaire. Alors que la fracturation des spécimens de contrôle sans gravure et des spécimens avec des cellules gravées longitudinalement ont démontré une rupture fragile, une fracturation transversale aux rangées cellulaires, dans les modèles mimant des cellules d’oignon ou des cellules ondulées de cotylédons d’Arabidopsis, a montré une résistance accrue à la fracture. En conclusion, je démontre que la forme ondulée des cellules épidermiques est le résultat d’une distribution alternée de la rigidité dans la paroi cellulaire, un processus qui pourrait être initié par une anisotropie de stress stochastique due au flambement. De plus, ces formes cellulaires augmentent la résistance à la rupture de l'épiderme végétal en le protégeant contre la propagation des fissures; un mécanisme de défense ingénieux pour les surfaces les plus exposées. / Plant development entails cell division, cell growth and shaping, and the differentiation of meristematic cells into highly specialized cell types. Differentiation and cell shape are closely linked and involve the regulation of the mechanical properties of the cell wall. The mechanisms leading to the generation of the diverse array of shapes and functionalities found in plant tissues are perplexing and poorly understood. In my Ph.D. research, I investigated the mechanical principles underlying the formation of wavy leaf pavement cells. Further, I studied the putative mechanical advantage that emerges from the interlocking patterns. Epidermal pavement cells consist of two parallel periclinal walls connected by vertical anticlinal walls. At the borders, wavy pavement cells make interlocking indentations and protrusions. 3D confocal micrographs of cotyledons stained with cellulose-specific fluorophores revealed a significant accumulation of cellulose at the sites of indentation on the periclinal walls extending down the anticlinal walls. Staining the cotyledon samples with COS488 also suggested a higher abundance of de-esterified pectin at these sites. I developed finite element models of the cell wall deformation and simulated the biochemical inhomogeneities by assigning alternately stiffened regions across and along the periclinal walls on two sides of an anticlinal wall. It was observed that the non-deforming stiffened regions develop into sites of indentations when the internal pressure stretches the cell wall. The model also suggested higher stresses to associate with the neck regions. The model results indicate that a positive feedback loop between stress and cell wall stiffness could generate wavy shapes starting from infinitesimally small differences in cell wall stiffness or stress. Further, the model suggests that stochastic buckling events can initiate the cell shaping process. It has been long hypothesized that the interlocking pattern of pavement cells improves cell-cell adhesion and thus the tensile strength of the epidermis. Stretching to rupture the leaf samples of wild-type Arabidopsis or any1 mutant with reduced cell waviness did not show any cell detachment upon failure. However, I hypothesized the undulating cell borders could enhance the resistance of the epidermis against the propagation of damage. I observed a considerable anisotropy in the tear behavior of onion epidermis parallel and perpendicular to the cells’ main axis. Tears along the cell lines propagated without much resistance resulting in brittle failure of the tissue. This was observed to originate from tears propagating by cell detachment. Perpendicular to the cells’ main axis, tears had considerable difficulty in propagating. Fracturing the leaf samples with wavy epidermal cells, I noticed the cracks propagated in both the cell borders and the cell wall intermittently. I hypothesized that this pattern of fracture in the epidermis with wavy cells indicates an increase in the fracture toughness. To untangle the influence of material anisotropy from the cell geometry on fracture toughness, I designed macroscopic physical models of the epidermis by laser engraving the cell patterns on polymethylmethacrylate. This way, the isotropic material would allow studying only the effect of cell geometry. While fracturing the control specimens with no engraving and the specimens with longitudinally placed cells demonstrated a brittle fracture, fractures transverse to cell lines in the onion cell patterns or across the Arabidopsis cotyledon wavy cell pattern showed an increased fracture toughness. I suggest the wavy shape of pavement cells in the epidermis results from the alternate placement of stiffer regions in the cell wall, a process that can initiate from a stochastic stress anisotropy due to buckling. Further, these shapes increase the fracture toughness of the plant epidermis protecting it against the spread of damage; an ingenious defense mechanism at the most exposed surfaces.

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Nous nous intéressons à la phénoménologie des villes en nous limitant à la géométrie induite par le squelette de leur réseau de rues. C'est une étude à volonté synthétique, fonctionnelle et interdisciplinaire qui vient s'ajouter aux travaux qui ont été menés à grande cadence depuis le début du XXème siècle par des urbanistes, sociologues, géographes, statisticiens, physiciens. Nous cherchons à montrer que la rue, en tant qu'alignement cohérent de segments de rues peut être considérée comme structure élémentaire de la ville. Quelle quantité d'information est donnée par la géométrie du réseau routier ? Dans quelle mesure contraint-il nos échanges ? Comment le paysage urbain actuel est-il déterminé par son évolution le long d'axes de circulation et d'éléments structurants ? Nous présentons un cadre mathématique permettant de considérer la carte d'une ville comme un continuum géométrique défi ni par la topologie d'un graphe planaire. Nous superposons à ce graphe une structure d'hypergraphe pour manipuler aisément la notion d'axes ainsi qu'une représentation multi-échelles de la ville. En dépit d'une grande diversité apparente de formes, nous montrons que le réseau de rues d'une ville se soumet à un certain nombre de lois générales qui laissent des traces sur le plan de la ville. Nous proposons des modèles de croissance et de morphogénèse de la ville, implé- mentant l'idée que l'évolution de la ville suit une logique d'extension / division structurée de l'espace et reproduisant les signatures observées sur les plans de villes réelles. La compréhension des mécanismes régulateurs de la ville nous permet de proposer des algorithmes fonctionnels dont le temps de calcul est très intéressant. Ainsi nous présentons un algorithme reconstituant les rues à partir de segments de rues ; la notion de centralité simple dont le calcul sur une carte permet une analyse hiérarchique de celle-ci, met en valeur les axes de trafic principaux et en évidence les zones mal desservies ; un algorithme permettant d'approximer rapidement le plus court chemin entre deux points aléatoires ; un algorithme prenant appui sur le Spectral Clustering pour produire des segmentations morphologiques de cartes et retravaillons l'identi cation de modèles de mosaïques aléatoires pour les substituer à un réseau urbain particulier dans la résolution par équivalents statistiques de grands problèmes d'optimisation.

Et si les propriétés sensori-motrices de la parole modelaient le langage ? Cette hypothèse a propulsé le langage dans le monde de la complexité et de la cognition en-corporée. Nous introduisons ici différents types d'arguments montrant le rôle de la motricité de la parole dans la genèse du langage. Motricité orofaciale, d'abord, avec l'idée que les propriétés de la coordination inter-articulateurs contraindraient la morphogenèse du langage. Motricité orofaciale et brachiomanuelle, ensuite, avec l'hypothèse que le langage émergerait de la coordination main-bouche portant l'acte de pointage par la voix et par la main. Dans ce cadre, nos expériences analysent les mouvements enregistrés chez des locuteurs du français dans différentes tâches afin d'établir les propriétés des coordinations mâchoire-langue-lèvres dans la parole, puis mâchoire-main dans le pointage. Ces recherches s'intègrent au cadre de recherche global et récent proposant d'étudier le langage comme un système-complexe.

Dans le cadre du projet de « maintenir ou accroître l'habitabilité du monde » (Ezio Manzini, 1991), nous interrogeons la manière de penser l’habiter par le design, qui rencontre de notre point de vue la question des enveloppes de l'homme, artificielles versus biologiques, matérielles versus virtuelles. Le cas de l’habit, hypothétique enveloppe habitable dérivée du vêtement, première architecture selon Gottfried Semper et le « principe du revêtement », retient tout particulièrement notre attention. Le sujet est abordé par une théorisation située à partir d’un projet expérimental personnel de conception et fabrication d’enveloppes textiles, qui attesta d’une rationalité et d’une expansivité tout à fait singulières. Son étude est conduite par une méthode poïétique, au sens de Paul Valéry, qui combine une étude herméneutique des productions, une exégèse de la nature systémique de la démarche (programme et émergences), ainsi qu’une exégèse complémentaire du travail technique en actes (facture et irrégularités). La transdisciplinarité inhérente à la problématique est ainsi envisagée à partir de la pensée de l’art textile de Semper, la pensée poétique et épistémologique de Valéry, et la pensée esthétique complexe issue des sciences du vivant. La construction théorique nous emporte à suggérer, en regard de l’habitabilité, la perspective d’un nouveau paradigme, la textilité. / In context of the project intended to « maintain or increase the habitability of the world » (Ezio Manzini, 1991), we question the way of thinking the dwelling by design, which meets, according to us, the question of human envelopes, artificial versus biological, material versus virtual. The case of the habit, hypothetical inhabitable envelope derived from garment, primary architecture according to Gottfried Semper and the “theory of clothing”, particularly focuses our attention. The subject is approached by a situated theorizing from a personal experimental project of conception and manufacture of textile envelopes, which demonstrated a rationality and expansiveness quite singular. The study is leaded by a poïetic method, as defined by Paul Valéry, combining an hermeneutical study of production, an exegesis of the systemic nature of the process (program and emergences), and an additional exegesis of the technical work through the acts (craft and irregularities). The inherent transversality of the problem is thus considered with means of the thought of textile art of Semper, the poetic and epistemological thought of Valéry, and the complex aesthetic thought outcome from of the life sciences. The theoretical construction takes us to suggest, in comparison with the one of habitability, the way to a new paradigm of textility.