La superhélicité de l'ADN, c'est-à-dire le niveau de sur- ou sous-enroulement de la molécule d'ADN autour d'elle-même, joue un rôle important dans la régulation globale de l'expression des gènes chez les bactéries. En effet, l'ADN sous-enroulé facilite l'initiation de la transcription des gènes, ce qui augmente l'expression des gènes, tandis que l'ADN sur-enroulé rend au contraire l'initiation de la transcription des gènes plus difficile et diminue l'expression des gènes. Comme la transcription des gènes affecte à son tour le niveau local de superhélicité de l'ADN, déterminer la nature et l'ampleur de l'interaction entre ces deux processus est important dans l'optique d'une compréhension fine de la régulation de l'expression des gènes chez les bactéries.

Dans cette thèse, j'étudie ce problème en utilisant une approche par évolution expérimentale _in silico_, en introduisant un modèle mathématique et computationnel conçu pour étudier l'interaction mutuelle entre la transcription des gènes et la superhélicité de l'ADN (le _Transcription-Supercoiling Coupling_ ou TSC), et intégré dans une simulation évolutive.
À l'aide de ce modèle, je montre d'abord que des niveaux environnement-spécifiques d'expression des gènes, basés sur l'interaction médiée par la superhélicité entre gènes voisins, peuvent effectivement apparaître lorsque la position relative sur le génome de ces gènes évolue au travers d'inversions génomiques. En particulier, j'observe l'émergence de gènes activés par la relaxation de l'ADN, comme on en peut trouver chez de nombreuses espèces bactériennes. Ensuite, je montre que ces motifs d'expression sont générés par des interactions entre gènes à plusieurs échelles, allant de structures locales, telles que des paires de gènes convergents ou divergents, jusqu'à un réseau de régulation densément connecté à l'échelle du génome entier. La description d'un tel réseau de régulation médié par la superhélicité renforce ainsi l'hypothèse selon laquelle les synténies de gènes à l'échelle supraopéronique, observés chez plusieurs espèces bactériennes, pourraient avoir été conservés au cours de l'évolution en raison d'une fonction de régulation. Enfin, je montre que les mutations dans la régulation de la superhélicité de l'ADN pourraient jouer un rôle précoce dans l'adaptation à de nouveaux environnements, en explorant localement les paysages de fitness qui émergent du couplage entre transcription et superhélicité.