Thèse Nouveaux Outils Bio-Mems pour la Biominéralisation des Foraminifères Benthiques des Cellules Artificielles aux Applications en Ingénierie Environnementale H/F - 59

Établissement : Université de Lille
École doctorale : Sciences de la Matière du Rayonnement et de l'Environnement
Laboratoire de recherche : LOG - Océanologie et Géosciences
Direction de la thèse : Vincent BOUCHET ORCID 0000000154581638
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-04-30T23:59:59

La biominéralisation chez les foraminifères, organismes unicellulaires marins à coquille de calcite, est un élément crucial du cycle du carbone et une archive précieuse des conditions océaniques passées. Cependant, les mécanismes moléculaires à l'origine de ce phénomène restent largement méconnus. Ce projet de thèse international et interdisciplinaire à la frontière entre l'écologie marine, les bioMEMS et la biologie synthétique vise à élucider ces processus et à les appliquer en sciences environnementales. La première étape consiste à d'améliorer notre compréhension des processus impliqués dans la précipitation de la coquille calcaire. Le projet examine ensuite comment les changements de paramètres physico-chimiques de l'environnement contraignent l'activité de précipitation face aux afin d'améliorer notre compréhension du processus de biominéralisation chez les foraminifères benthiques. Ces 2 premières étapes permettent ensuite d'isoler et recréer in-vitro les voies de biosynthèse de calcite au sein de nouveaux micro-actuateurs bio-inspirés : les cellules artificielles (ArC). Ces ArC seront produites grâce à la conception concomitante de nouveaux dispositifs microfluidiques sur-mesure. Afin douvrir la voie au développement d'indicateurs de pollution basés sur les métaux lourds, ce projet de thèse visera aussi à mieux quantifier l'incorporation dans le test des éléments dissous dans l'eau, par exemple les éléments traces métalliques. Fort de ce module calcifiant, les ArC seront employées en ingénierie environnementale comme la dépollution d'eau, offrant une solution innovante de bioremédiation à faible impact environnemental. Enfin, ce projet s'appuiera sur des collaborations japonaises et européennes qui serviront de socle pour le travail de thèse dans ce champ de recherche exploratoire.

Depuis ses débuts, la biologie moléculaire s'est nourrie des découvertes issues du milieu marin, qui ont permis des avancées majeures grâce à l'identification de biomolécules aux propriétés uniques. Dans ce contexte, les foraminifères benthiques apparaissent comme des organismes modèles particulièrement prometteurs. Très abondants dans les sédiments côtiers, ils peuvent représenter une part importante de la biomasse eucaryotique et jouent un rôle clé dans les cycles biogéochimiques, notamment du carbone, via la formation de leur test carbonaté. Ce dernier constitue à la fois un puits de carbone significatif et une archive précieuse des conditions environnementales passées, en intégrant des éléments chimiques dont les proportions reflètent les caractéristiques du milieu, y compris la présence de contaminants.
Malgré cet intérêt, les mécanismes fondamentaux de la biominéralisation chez les foraminifères restent encore largement méconnus. Les processus de calcification font toujours l'objet de débats, notamment concernant l'origine des ions impliqués (vacuolisation de l'eau de mer versus transport transmembranaire du calcium), et pourraient relever de mécanismes combinés. Par ailleurs, la formation et la variabilité du motif des pores, qui jouent un rôle essentiel dans les échanges entre la cellule et son environnement, demeurent mal comprises, tout comme leur réponse aux gradients d'oxygène ou d'autres paramètres physico-chimiques. De même, la capacité des foraminifères à incorporer des éléments traces, y compris des métaux lourds, soulève des questions importantes pour le développement de bioindicateurs fiables et pour l'évaluation de la pollution des milieux marins.
Dans un contexte de changement climatique et d'augmentation des pressions anthropiques, caractérisé notamment par l'expansion des zones hypoxiques et la contamination des sédiments, il devient essentiel de mieux comprendre le fonctionnement écologique et physiologique de ces organismes. Cela implique de lever plusieurs verrous scientifiques, en améliorant la connaissance des mécanismes de précipitation du carbonate, en évaluant la réponse de ces processus aux variations environnementales, et en quantifiant précisément l'incorporation des éléments dissous dans le test.
Dans ce cadre, la biologie synthétique offre des perspectives innovantes en permettant de reproduire et de manipuler ces processus dans des systèmes artificiels. Le développement de cellules artificielles bio-inspirées, reposant sur des vésicules à bicouche lipidique capables d'intégrer des fonctions de détection, de signalisation et de synthèse, constitue une approche prometteuse pour mimer la biominéralisation. Ces systèmes, encore en développement, nécessitent des avancées technologiques, notamment en microfluidique, pour permettre leur production et leur stabilisation.
À terme, ces cellules artificielles pourraient être utilisées comme outils expérimentaux pour mieux comprendre les mécanismes biologiques, mais aussi comme solutions appliquées en ingénierie environnementale. Elles ouvrent ainsi la voie au développement de bioindicateurs innovants et de stratégies de bioremédiation à faible impact, par exemple pour la capture de métaux lourds. Ce projet s'inscrit ainsi à l'interface de la biologie marine et de la biologie synthétique, avec pour ambition de répondre à des enjeux majeurs liés à la santé des écosystèmes et à leur résilience face aux changements globaux.