Robustness of the circadian rhythm of cyanobacteria: Investigation of a potential coupling between oscillators

The circadian clock is a self-sustained biological clock that can be found in many organisms such as mammals, insects, plants, and even cyanobacteria. This rhythm allows living organisms to coordinate their metabolic and behavioural activities with the Earth's daily rotation. The free-running period of this clock is close to 24h h.The cyanobacteria Synechococcus elongatus sp. PCC7942 is the simplest organism that has this circadian clock. And in spite of cellular division (up to 3 divisions per 24 h), the oscillations persist among a population of bacteria. Moreover, single-cell experiments showed that the oscillations were persisting with a correlation time of several months. We thus raised the question of the origin of such a robust oscillator. Indeed, the cyanobacteria are submitted to various sources of noise, and in spite of these fluctuations, the oscillations remain robust. We therefore investigate the potential coupling between oscillators, which could reinforce the stability of oscillations. By using strains carrying a luciferase reporter, we access to the circadian clock of cyanobacteria. We also used a theoretical model of week interaction between oscillators, this model taking into account the phase diffusion of oscillations. By confronting experimental measures with numerical simulations, we managed to estimate an upper limit to the potential coupling strength between oscillators. By comparing the phase diffusion constant with the coupling strength, we showed that the robustness of the circadian clock of cyanobacteria is a built-in property.
Chez la majorité des organismes vivants, depuis certaines bactéries, jusqu'aux mammifères, de nombreux processus biologiques sont rythmés, comme par exemple l'alternance veille sommeil, ou encore le cycle d'hibernation. Le contrôle de ces rythmes biologiques est effectué grâce à des horloges biologiques, qui sont dans certains cas des oscillateurs auto-entretenus programmés génétiquement. Les oscillateurs biologiques dont la période est de proche de 24h sont dits circadiens. La cyanobactérie Synechoccocus elongatus sp. PCC7942 est l'un des plus simples organismes possédant cette horloge circadienne. Malgré la division cellulaire (jusqu'à 3 divisions par cycle), l'oscillation circadienne persiste au sein d'une population. De plus, des mesures faites sur cellules individuelles montrent la persistance de l'oscillateur circadien avec un temps de corrélation de plusieurs mois. Nous nous intéressons ainsi à l'origine de la robustesse de l'oscillateur : comment conserver une oscillation aussi stable malgré les sources de bruits (fluctuations internes et environnementales) auxquelles est soumis le réseau génétique ? Une telle stabilité pourrait être intrinsèque à l'oscillateur, ou alors être due à une interaction entre oscillateurs. Notre étude s'intéresse à la 2ème hypothèse ; ainsi, nous avons cherché l'existence potentielle d'un couplage entre 2 populations d'oscillateurs circadiens. Pour accéder à l'oscillation de l'horloge circadienne, nous avons utilisé une souche sauvage dans laquelle a été introduit le gène rapporteur de la luciférase. La souche mutée ainsi obtenue va présenter une luminescence oscillante, traduisant l'expression de la luciférase sous le contrôle du promoteur correspondant. Les souches mutées et non mutées ont une activité génétique régulée par l'horloge circadienne. L'interaction est étudiée en réalisant des mélanges de deux populations -souche mutante +souche sauvage- de cyanobactéries ayant initialement des phases d'oscillation différentes, avec un rapport de concentration 1:20. L'évolution temporelle de la bioluminescence donne ainsi accès à l'oscillation circadienne de la population minoritaire. Les éventuels effets du couplage sont analysés en étudiant la phase d'oscillation de la population minoritaire. Notre étude a montré qu'après une quarantaine de jours d'interaction potentielle, la phase d'oscillation des minoritaires n'est pas affectée de façon significative par la présence d'oscillateurs ayant une autre phase initiale. Au vu de ces résultats, nous avons établi un modèle théorique de couplage afin de majorer l'éventuel couplage entre oscillateurs cyanobactériens. Notre modèle est principalement décrit par le modèle de Kuramoto, qui donne une description pertinente de nombreux oscillateurs biologiques. Des simulations numériques ont montré qu'il était possible de faire des hypothèses simplificatrices concernant la forme des distributions de phase au sein de chacune des populations en interaction. Ainsi, nous avons établi une relation simple entre le changement de phase, et la constante de couplage. En tenant compte des incertitudes sur la phase calculée expérimentalement, nous estimons une borne supérieure de la constante de couplage entre oscillateurs cyanobactériens.