Tude Et Contrôle de Modèles Mathématiques de Consortiums Microbiens

**Étude et contrôle de modèles mathématiques de consortiums microbiens // Study and control of mathematical models of microbial consortia**:

- Réf **ABG-130958**
**ADUM-65140**
- Sujet de Thèse
- 12/04/2025
- Université Côte d'Azur
- Lieu de travail- Sophia Antipolis Cedex - France
- Intitulé du sujet- Étude et contrôle de modèles mathématiques de consortiums microbiens // Study and control of mathematical models of microbial consortia
- Champs scientifiques- Informatique
- Mots clés- modèles mathématiques en biologie, réseaux microbiens, controle
mathematical models for biology, microbial networks, control

**Description du sujet**:

- Dans la nature, les micro-organismes forment des réseaux, où différentes espèces sont en interaction de compétition, coopération ou via des substrats métaboliques. L'étude de ces interactions et du comportement global du réseau est un domaine d'intérêt majeur, que ce soit pour le microbiote humain, les microbiotes des plantes ou les micro-organismes en bioréacteurs (biotechnologies). De plus on sait maintenant créer des consortiums artificiels (synthétiques), et même les contrôler par des contrôles externes ou par l'environnement.

La thèse portera sur l'écriture de modèles mathématiques de réseaux microbiens (décrits par des équations différentielles ordinaires), sur leur étude dynamique, et sur leur contrôle par différentes entrées.

De plus, ces réseaux peuvent souvent s'adapter aux conditions environnementales, en modifiant les allocations de leurs ressources, pour favoriser une certaine voie dans le réseau qui augmentera, par exemple, leur croissance. Nous étudierons aussi cette 'optimisation du réseau'.
- un petit réseau algues-bactéries, où les deux organismes s'échangent des substrats. Nous écrirons plusieurs modèles, pour faire leur étude dynamique. Puis différentes techniques de contrôle seront utilisées pour réguler et maximiser différents critères dans un bioréacteur.
- un modèle de plante et son environnement microbien. Une plante confrontée à un stress en azote peut essayer de modifier l'allocation des ressources qu'elle relargue pour son réseau microbien, dans le but que celui-ci produise plus d'azote, qui retournera à la plante. C'est un problème d'allocation de ressources avec boucle de rétroaction. On emploiera des techniques d'optimisation et de contrôle optimal.

Cette thèse sera donc une thèse de mathématiques appliquées et de contrôle, dans un environnement de biologie interdisciplinaire. Des problèmes nouveaux d'étude de systèmes dynamiques non-linéaires, de contrôle, de compromis entre plusieurs critères d'optimisation, de contrôle optimal seront examinés.

In nature, microorganisms form networks, where different species interact through competition, cooperation or metabolic substrates. The study of these interactions and the overall behavior of the network is a major field of interest, whether for human microbiota, plant microbiota or microorganisms in bioreactors (biotechnologies). Moreover, it is now possible to create artificial (synthetic) consortia, and even control them by external or environmental controls.

The thesis will focus on writing mathematical models of microbial networks (described by ordinary differential equations), on their dynamic study, and on their control by different inputs.

In addition, these networks can often adapt to environmental conditions, by modifying their resource allocations, to favor a certain pathway in the network that will, for example, increase their growth. We will also study this “network optimization”.
- a small algae-bacteria network, where the two organisms exchange substrates. We'll write several models, to study their dynamics. We will then use various control techniques to regulate and maximize different criteria in a bioreactor.
- A model for a plant and its microbial environment. A plant faced with nitrogen stress may try to modify the allocation of resources it releases to its microbial network, with the aim of making it produce more nitrogen, which will be returned to the plant. This is a resource allocation problem with a feedback loop. Optimization and optimal control techniques will be employed.

This thesis will therefore be an applied mathematics and control thesis, in an interdisciplinary biology environment. New problems involving the study of non-linear dynamic systems, control, trade-offs between several optimization criteria and optimal control will be examined.

Début de la thèse : 01/10/2025

**Nature du financement**:
**Précisions sur le financement**:

- Contrat doctoral EDSTIC-UCA ou EUR-DS4H

**Présentation établissement et labo d'accueil**:

- Université Côte d'Azur

**Etablissement délivrant le doctorat**:

- Université Côte d'Azur

**Ecole doctorale**:

- 84 STIC - Sciences et Technologies de l'Information et de la Communication- 05/05/2025