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Prix scientifique

Esther Leburgue - 2/04/2014

Vincent Calvez : un mathématicien féru de biologie

Portrait de Vincent Calvez Crédit photo : Pierre Blondeau - © Inria

Membre de l’équipe NuMed d’Inria et spécialiste des modèles mathématiques, Vincent Calvez mène ses travaux au carrefour des mathématiques et des sciences du vivant. Récompensées par une médaille de bronze du CNRS, qui salue le premier travail d’un chercheur, ses recherches éclairent d’un jour nouveau le comportement des bactéries.

Que représente la médaille de bronze du CNRS que vous venez de recevoir ?

C’est d’abord une vraie surprise, car ce n'est pas une distinction pour laquelle on postule. C’est aussi une reconnaissance, qui met un coup de projecteur sur l’interaction entre les mathématiques et les sciences du vivant. Même si de nombreux chercheurs planchent sur le sujet depuis longtemps, l'engouement pour ce domaine est assez récent. Je vois donc cette récompense comme un encouragement à poursuivre dans cette voie.
 
Pouvez-vous nous décrire votre cursus ? 

J’ai fait des mathématiques appliquées à la biologie ma spécialité. Pour cela, j'ai suivi un cursus interdisciplinaire. Lors de mes études à l'ENS Paris, j'ai bénéficié d'un semestre d'enseignements en biologie. J’ai également réalisé un stage de six mois dans un laboratoire de mathématiques appliquées au Centre for Mathematical Biology de l'université d'Oxford. Depuis la fin de ma thèse, c'est l'unité de mathématiques pures et appliquées associant l'ENS Lyon et le CNRS qui héberge mes recherches. Je fais également partie d'une équipe projet Inria, NuMed, située dans le même labo.

En quoi consistent vos travaux ?

Mes travaux les plus emblématiques portent sur la modélisation des mouvements collectifs de bactéries. Ils sont le fruit d'une collaboration avec l’équipe du laboratoire Physicochimie Curie dirigée par Pascal Silberzan, en particulier Jonathan Saragosti. Jonathan a analysé le déplacement de colonies de bactéries (Escherichia coli ), dans des microcanaux en silicone, en fonction de la richesse en nourriture du milieu dans lequel elles évoluent. Ce problème de biologie fondamentale datait des années soixante mais les technologies actuelles permettent d’observer le comportement des bactéries de façon presque individuelle. Au fur et à mesure des expériences menées par Jonathan, j'ai mis au point un modèle mathématique plus solide que celui proposé dans les années soixante-dix. Il nous a permis de traduire aussi bien le déplacement de la colonie dans son ensemble, que celui des individus en particulier. Nous comprenons désormais mieux comment les bactéries s’adaptent à leur environnement, en se déplaçant en direction des zones plus riches en glucose, leur nourriture. Ce déplacement prend la forme d'une onde de propagation, les individus restant proches les uns des autres, en communiquant "chimiquement" au moyen d'un acide aminé.  

Quels sont vos prochains défis ?

Je souhaite mieux comprendre les modèles mathématiques de ce genre, où la propagation se fait sous forme d'onde. Il peut s'agir par exemple d'un modèle qui traduit la propagation d'une espèce invasive de crapauds en Australie. Comme pour les colonies de bactéries, la population de crapauds est hétérogène. Leur morphologie et leur endurance sont différentes. Cela m'intéresserait, par exemple de pouvoir calculer la vitesse de l'onde ainsi que la diversité au sein du front de propagation, ceci afin de mieux appréhender le phénomène global.

The top image captures successive stages in the wavelike movement of the bacterial colony. The bottom image depicts the trajectories of bacteria within the wave. | J. Saragosti, Institut Curie, Paris | © by Inria - © Inria

S’inspirer de la physique pour modéliser la Biologie    

Pour créer le modèle mathématique qui traduit le déplacement des colonies de bactéries, Vincent Calvez s’est inspiré de la physique. Et plus particulièrement du modèle de Boltzmann, qui provient de la théorie cinétique des gaz. « Un gaz, c’est un peu comme un gigantesque billard, explique-t-il. Il y a énormément de collisions entre molécules. À chaque collision, le choc modifie la vitesse et la direction des deux particules concernées. » Si les bactéries n’entrent pas en collision à proprement parler, elles changent par contre de direction régulièrement. « Ce sont ces changements de cap qui font l’objet de la modélisation, poursuit Vincent Calvez. Il faut comprendre quand, comment, à partir de quels signaux chimiques et à quelle fréquence ils ont lieu. » Dans le modèle mathématique élaboré par Vincent Calvez, la théorie physique a  été adaptée en substituant les collisions observées dans un gaz moléculaire par les changements de direction dans une colonie de bactéries.

Mots-clés : Modélisation Mathématiques Prix scientifique Biologie Bactéries

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