Ce projet serait sous la direction de : M. Fabien HUBERT et M. Brian GREGOIRE
Unités de recherche : IC2MP – Equipe HydrASA
Ecole doctorale : Rosalind Franklin – énergie, environnement, bio santé
Intitulé du sujet :
Étude des mécanismes de stabilisation de l’ADN environnemental au sein de systèmes terrestres reconstruits
Investigating the mechanisms of environmental DNA stabilization within reconstructed terrestrial systems
Mots clés : Minéraux argileux, intéraction organo-minérale, mesures in-situ, physicochimie des interfaces
Début de thèse : à partir du 01/10/2026
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.
This PhD project is part of the ClayMED ANR project, an ambitious initiative led by a multi- and pluridisciplinary
consortium including IC2MP (Poitiers), ICGM (Montpellier), and LIEC (Nancy). The objective is to elucidate the
physicochemical mechanisms governing the persistence of environmental DNA (eDNA) within mineral matrices.
Rather than studying raw natural samples, the project relies on the reconstruction of model terrestrial
environments to identify key parameters—such as clay mineralogy, water chemistry, and confinement effects—that
promote the preservation of genetic information over long timescales. Leveraging state-of-the-art characterization
techniques and molecular modeling, this thesis aims to transform the understanding of these mechanisms into a
concrete lever for developing original extraction methods. These new methods must enable the quantitative and
selective recovery of eDNA while ensuring optimal quality of the extracted molecules (integrity and absence of
inhibitors), which is essential for the success of subsequent PCR amplification and sequencing stages for ecosystem
reconstruction
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.
The rapid and ongoing decline of terrestrial biodiversity is one of the most pressing issues of our time. Recent
assessments indicate that up to one million species are at risk of extinction within decades, at a rate tens to
hundreds of times higher than the natural background rate. This crisis is fueled by anthropogenic disturbances such
as habitat destruction, climate change, pollution, and overexploitation, leading to a widespread depletion of wild
flora and fauna. These losses threaten essential ecosystem services—such as pollination, water purification, and
carbon sequestration—which are the pillars of our civilizations and economic systems. A major obstacle to resolving
this crisis is the persistent lack of knowledge regarding the status, spatial distribution, and historical evolution of
biodiversity during past climate changes. This knowledge gap is particularly pronounced in ecosystems where
monitoring has historically been limited. While traditional biodiversity assessment methods are valuable, they often
provide incomplete snapshots and struggle to capture cryptic species or rapid community changes. In this context,
environmental DNA (eDNA) has emerged as a revolutionary tool capable of creating a molecular footprint of
biodiversity. When genetic material becomes trapped and preserved under specific environmental conditions,
particularly within fine particles such as clays, it can persist for millennia. However, although clay-rich terrestrial
environments are recognized as robust reservoirs, their utilization remains a major challenge due to the difficulty of
extracting DNA bound to mineral surfaces.
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.
The doctoral research will be structured around three major objectives. The first axis is based on the idea that a
« library » of complex DNA/clay structures, integrating both mineral and organic heterogeneities, is necessary to
faithfully represent terrestrial micro-environments. The candidate will determine the optimal physicochemical
conditions promoting DNA immobilization within complex systems. Since soil composition varies radically across
climates, the project will analyze how salinity, pH, and the presence of organic matter—which can either protect
DNA through coating effects or compete for binding sites—influence the formation of eDNA « hotspots. » This
systematic approach will provide insight into the stability of genetic information under realistic and varied
environmental conditions. The second axis explores the hypothesis that the preservation capacity of clays is closely
linked to confinement effects and nanoscale heterogeneities. The goal is to elucidate the molecular mechanisms of
stabilization by examining how the distribution of structural charges in minerals modifies the organization of the
interfacial water network and, consequently, the geometric conformation of DNA. To precisely isolate these factors,
the candidate will utilize clays produced via hydrothermal synthesis, allowing for rigorous control of mineral
chemistry. Finally, the third axis contends that a deep understanding of molecular organization at interfaces will
overcome the technological barriers associated with extraction. The candidate will be involved in designing new
methodologies for the selective recovery of trapped genetic material to enable the recovery of ancient DNA in
temperate, non-permafrost environments.
Méthodologie et mise en œuvre :
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.
The research strategy will rely on an integrated multi-scale approach, combining rigorous mineral synthesis,
advanced characterization techniques, and numerical modeling. The candidate will begin by preparing mineral
phases using either the purification of natural clays or hydrothermal synthesis to obtain minerals with perfectly
controlled structural properties. On this basis, adsorption isotherms will be conducted under varied physicochemical
conditions to faithfully reconstruct the diversity of depositional environments found in soils. To decipher the nature
of interactions, the PhD student will deploy a comprehensive analytical arsenal including X-ray diffraction (XRD),
infrared spectroscopy (ATR-FTIR), and second-harmonic generation (SHG), as well as calorimetry to quantify
interaction energies. These data will be systematically coupled with molecular modeling to visualize stabilization
mechanisms at the atomic scale. Finally, the candidate will develop specific experimental setups to probe DNA
preservation against environmental stressors and participate in the development of original extraction solvents
with tunable properties to quantitatively extract DNA from clay matrices.
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
The candidate must hold a Master’s degree (Master 2) with a specialization in materials physical chemistry,
geochemistry, or environmental sciences. Beyond the academic background, a strong appetite for rigorous
experimental approaches is indispensable. The candidate must demonstrate a deep interest in the mechanistic
aspects of interface chemistry, with a drive to elucidate the relationships between the atomic structure of minerals
and the reactivity of biomolecules. Curiosity regarding numerical modeling tools and advanced characterization
methods (spectroscopy, diffraction) is also expected. Finally, the candidate must demonstrate autonomy, scientific
rigor, and the ability to engage with multidisciplinary concepts. A good level of scientific English, essential for the
promotion of the work and publication in international journals, is required to successfully carry out this project
within the ClayMED consortium
Contacts pour plus d’informations et pour candidater jusqu’au 29/05/26
Brian GREGOIRE : brian.gregoire@univ-poitiers.fr