Description du sujet de thèse

Offre de thèse (PhD) : Étude des mécanismes de stabilisation de l’ADN environnemental au sein de systèmes terrestres reconstruits

Résumé
Le projet de doctorat s’insère dans le cadre de l’ANR ClayMED, un projet ambitieux porté par un consortium pluri et multidisciplinaire associant l’IC2MP à Poitiers, l’ICGM à Montpellier et le LIEC à Nancy. L’objectif est d’élucider les mécanismes physico-chimiques qui régissent la persistance de l’ADN environnemental (ADNe) au sein des matrices minérales. Plutôt que d’étudier des échantillons naturels bruts, le projet repose sur la reconstruction d’environnements terrestres modèles afin d’identifier les paramètres clés, tels que la nature des argiles, la chimie des eaux et les effets de confinement, qui favorisent la préservation de l’information génétique sur de longues échelles de temps. En s’appuyant sur des techniques de caractérisation de pointe et la modélisation, cette thèse vise à transformer la compréhension de ces mécanismes en un levier concret pour le développement de méthodes d’extraction originales. Ces nouvelles méthodes devront permettre une récupération quantitative et sélective de l’ADNe tout en garantissant une qualité optimale des molécules extraites, notamment en termes d’intégrité et d’absence d’inhibiteurs, condition indispensable à la réussite des étapes ultérieures d’amplification par PCR et de séquençage pour la reconstruction des écosystèmes.

Contexte et problématique
Le déclin rapide et continu de la biodiversité terrestre constitue l’un des enjeux les plus pressants de notre époque. Les évaluations récentes indiquent que jusqu’à un million d’espèces sont menacées d’extinction d’ici quelques décennies, à un rythme des dizaines, voire des centaines de fois supérieur au taux d’extinction naturel. Cette crise est alimentée par les perturbations anthropiques telles que la destruction des habitats, le changement climatique, la pollution et la surexploitation, entraînant un appauvrissement généralisé de la flore et de la faune sauvages. Ces pertes menacent des services écosystémiques essentiels comme la pollinisation, la purification de l’eau et la séquestration du carbone, qui sont les piliers de nos civilisations et de nos systèmes économiques. Un obstacle majeur à la résolution de cette crise réside dans le manque persistant de connaissances sur l’état, la distribution spatiale et l’évolution historique de la biodiversité lors des changements climatiques passés. Ce déficit de compréhension est particulièrement marqué dans les écosystèmes où le suivi a historiquement été limité. Si les méthodes traditionnelles d’évaluation de la biodiversité sont précieuses, elles ne fournissent souvent que des clichés incomplets et peinent à capturer les espèces cryptiques ou les changements rapides au sein des communautés. Dans ce contexte, l’ADN environnemental est apparu comme un outil révolutionnaire capable de créer une empreinte moléculaire de la biodiversité. Lorsque le matériel génétique est piégé et préservé dans certaines conditions environnementales, notamment au sein de particules fines comme les argiles, il peut persister pendant des millénaires. Cependant, bien que les environnements terrestres riches en argiles soient pressentis comme des réservoirs robustes, leur utilisation reste un défi majeur en raison de la difficulté d’extraire l’ADN lié aux surfaces minérales.

Description du sujet
Le travail de recherche du doctorant s’articulera autour de trois objectifs majeurs. Le premier axe repose sur l’idée qu’une bibliothèque de structures complexes ADN/argiles, intégrant à la fois les hétérogénéités minérales et organiques, est nécessaire pour représenter fidèlement les micro-environnements terrestres. Le candidat devra déterminer les conditions physico-chimiques optimales favorisant l’immobilisation de l’ADN dans des systèmes complexes. Puisque la composition des sols varie radicalement selon les climats, il s’agira d’analyser comment la salinité, le pH et la présence de matière organique influencent la formation de zones de forte concentration d’ADNe. Le second volet explore l’hypothèse selon laquelle la capacité de préservation des argiles est intimement liée aux effets de confinement et aux hétérogénéités à l’échelle nanométrique. L’objectif est d’élucider les mécanismes moléculaires de stabilisation en examinant comment la distribution des charges structurales des minéraux modifie l’organisation du réseau d’eau interfacial et la conformation de l’ADN. Pour isoler précisément ces facteurs, le candidat utilisera des argiles issues de synthèses hydrothermales permettant un contrôle rigoureux de la chimie du minéral. Enfin, le troisième axe soutient qu’une compréhension profonde de l’organisation moléculaire aux interfaces permettra de lever les verrous technologiques liés à l’extraction. Le candidat sera impliqué dans la réflexion sur de nouvelles méthodologies de récupération sélective du matériel génétique piégé afin de permettre la récupération d’ADN ancien dans des environnements tempérés non-permafrost.

Méthodologie
La stratégie de recherche reposera sur une approche multi-échelle intégrée, alliant une maîtrise rigoureuse de la synthèse minérale, des techniques de caractérisation avancées et de la modélisation numérique. Le candidat débutera par la préparation des phases minérales en utilisant soit la purification d’argiles naturelles, soit la synthèse hydrothermale pour obtenir des minéraux aux propriétés structurales parfaitement contrôlées. Sur ces bases, des isothermes d’adsorption seront réalisés dans des conditions physico-chimiques variées afin de reconstruire fidèlement en laboratoire la diversité des environnements de dépôt rencontrés dans les sols. Pour décrypter la nature des interactions, le doctorant déploiera un arsenal analytique complet incluant la diffraction des rayons X, les spectroscopies infrarouge et la génération de seconde harmonique ainsi que la calorimétrie pour quantifier les énergies d’interaction. Ces données seront systématiquement couplées à une approche de modélisation moléculaire permettant de visualiser les mécanismes de stabilisation à l’échelle atomique. Enfin, le candidat sera amené à développer des montages expérimentaux spécifiques pour sonder la préservation de l’ADN face aux stress environnementaux et participera au développement de solvants d’extraction originaux aux propriétés modulables pour extraire quantitativement l’ADN des matrices argileuses.

Profil recherché
Le/la candidat·e devra être titulaire d’un Master 2 avec une spécialisation en physico-chimie des matériaux, géochimie ou sciences de l’environnement. Au-delà du parcours académique, une appétence marquée pour les approches expérimentales rigoureuses est indispensable. Le/la candidat·e devra démontrer un intérêt profond pour les aspects mécanistiques de la chimie des interfaces, avec une volonté d’élucider les relations entre la structure atomique des minéraux et la réactivité des biomolécules. Une curiosité pour les outils de modélisation numérique et les méthodes de caractérisation avancées comme les spectroscopies ou la diffraction est également attendue. Enfin, le/la candidat·e devra faire preuve d’autonomie, de rigueur scientifique et d’une capacité à s’approprier des concepts multidisciplinaires. Un bon niveau d’anglais scientifique, indispensable pour la valorisation des travaux et la publication dans les revues internationales, est requis pour mener à bien ce projet au sein du consortium ClayMED.

Contexte de travail

Recruté au CNRS, le ou la candidat(e) mènera ses recherches au sein de l’Institut de Chimie des Milieux et Matériaux de Poitiers (IC2MP), situé à l’Université de Poitiers (France). L’IC2MP est un laboratoire de recherche interdisciplinaire associant chimie et géosciences, co-porté par le CNRS et l’Université de Poitiers.
Le ou la candidat(e) intégrera l’équipe HydrASA, dont l’expertise est reconnue au niveau international dans la caractérisation, la compréhension et la modélisation de la réactivité des minéraux argileux. L’équipe développe notamment des approches expérimentales et théoriques originales permettant une intégration multi-échelle des phénomènes aux interfaces.

Les candidat(e)s intéressé(e)s sont invité(e)s à transmettre CV + lettre de motivation + notes M1 et M2 + contact de deux référents