Décrypter le fonctionnement interne du moteur flagellaire bactérien : une approche à molécule unique // Unraveling the Inner Workings of the Bacterial Flagellar Motor: A Single-Molecule Approach

Ce projet de thèse vise à comprendre comment le moteur flagellaire bactérien (BFM)—véritable nanomachine rotative—convertit un gradient électrochimique en couple mécanique et effectue des inversions rapides de rotation. Malgré des décennies de recherche, le mécanisme fondamental de génération du couple reste non résolu, en partie à cause de structures comme l'anneau LP chez E. coli, qui filtrent mécaniquement les fluctuations angulaires. Ce projet associe des techniques de pointe en microscopie à molécule unique à une modélisation théorique pour observer directement les dynamiques physiques du moteur.

Dans la première partie, nous utiliserons des pinces optiques 3D pour piéger individuellement des cellules de Vibrio alginolyticus et détecter la direction de rotation, la vitesse et le couple moteur à partir de l'analyse fine des fluctuations du mouvement cellulaire dans le piège. Cette bactérie nage selon un schéma run–reverse–flick qui repose sur des inversions de direction fréquentes et rapides. Nous établirons des modèles physiques reliant les fluctuations observées à la dynamique de rotation, à l'élasticité du flagelle et aux interactions fluide-structure.

Dans la seconde partie, nous développerons une microscopie de polarisation capable de détecter les étapes élémentaires de rotation du moteur à l'aide de nanobâtonnets d'or fixés à la base du flagelle. Cette approche, récemment développée par nos collaborateurs, permet une résolution angulaire sub-degré et ouvrira la voie à une observation directe de la génération de couple. En ciblant Bacillus subtilis, dépourvu d'anneau LP, nous testerons l'hypothèse d'une génération de couple par étapes discrètes. La modélisation s'appuiera sur des potentiels périodiques inclinés issus de la physique de la matière molle.

Le projet se situe à l'interface de la physique statistique, de la biophysique expérimentale et de la mécanique moléculaire. Il offrira une formation approfondie en instrumentation optique, analyse de données et modélisation, et conviendra à des profils issus de la physique ou de la physique appliquée, désireux d'explorer les mécanismes fondamentaux du vivant.
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This PhD project aims to uncover how the bacterial flagellar motor (BFM)—a nanoscopic rotary engine that powers bacterial motility—converts ion gradients into torque and rapidly switches rotational direction. Despite decades of research, the fundamental torque-generating mechanism remains unresolved, in part due to structural features like the LP ring in E. coli that mechanically filter angular fluctuations. This project will combine cutting-edge single-molecule techniques with theoretical modeling to directly observe and quantify the motor's physical behavior.

In Part 1, we will use 3D optical tweezers to trap individual Vibrio alginolyticus cells and extract motor rotation direction, speed, and torque from high-resolution tracking of fluctuations in the trapped cell's motion. This bacterium swims using a run–reverse–flick pattern that relies on fast and frequent directional switching. The project will develop physical models linking the observed fluctuations to underlying rotational dynamics, flagellar elasticity, and fluid-structure interactions.

In Part 2, we will construct a polarization-resolved microscopy setup to detect angular steps in the motor's rotation using gold nanorods attached to the base of the flagellum. This approach—recently pioneered by our collaborators—enables sub-degree angular resolution and will allow us to resolve the elementary steps of torque generation. Focusing on Bacillus subtilis, which lacks the LP ring, we will investigate whether torque generation occurs in discrete steps and how this process is modulated by structural differences. This work will be complemented by theoretical modeling using tilted periodic potentials, drawing from soft matter physics.

The project is highly interdisciplinary and addresses major questions in non-equilibrium physics, molecular mechanics, and soft matter. It offers intensive training in optical instrumentation, data analysis, and theoretical modeling, and is well-suited to candidates from physics or applied physics backgrounds with an interest in the molecular mechanisms of life.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Contrat doctoral

Concours pour un contrat doctoral

Université de Montpellier

166 I2S - Information, Structures, Systèmes

Le ou la candidat·e devra être titulaire d'un master (ou équivalent) en physique, biophysique, ou dans un domaine connexe (physique appliquée, ingénierie biomédicale, etc.). Une solide formation en physique statistique, dynamique stochastique, ou optique sera appréciée. Des compétences expérimentales en microscopie, optique ou manipulation de systèmes biologiques seront considérées comme un atout, tout comme un intérêt marqué pour les approches interdisciplinaires à l'interface entre physique et biologie. Le projet étant fortement expérimental, la curiosité, la rigueur, l'autonomie, ainsi qu'une capacité à analyser et modéliser des données complexes sont essentielles. Une bonne maîtrise de l'anglais (oral et écrit) est requise, notamment pour la lecture d'articles scientifiques et la rédaction de publications.
The candidate should hold a Master's degree (or equivalent) in physics, biophysics, or a related field (applied physics, biomedical engineering, etc.). A strong background in statistical physics, stochastic dynamics, or optics is recommended. Experimental experience in microscopy, optical systems, or biological sample handling is a plus, as is a strong interest in interdisciplinary research at the interface of physics and biology. As this is a hands-on experimental project, curiosity, rigor, autonomy, and the ability to analyze and model complex data are essential. Proficiency in English (spoken and written) is required for reading scientific literature and preparing publications.