Pourquoi l’homochiralité ?

Pourquoi l’homochiralité ?

Biomarqueurs – Bioindices 

Une des difficultés pour identifier des traces de vie est précisément le manque de connaissances sur ce que nous devrions chercher. En effet, la vie telle que nous la connaissons aujourd‟hui n‟est pas forcément la même que la vie à ses origines. Comment alors chercher quelque chose que nous ne sommes pas capables d‟appréhender ? Pour élaborer des techniques et des instruments susceptibles de chercher des traces de vie, il est tout d‟abord indispensable de faire une comparaison avec quelque chose que nous connaissons ; à savoir pour l‟instant, la seule vie reconnue, la vie terrestre. La première étape est donc d’identifier des biomarqueurs ou bioindicateurs organiques terrestres, des composés ou des caractéristiques du vivant qui nous révèleraient de manière sûre ou sous forme d‟indices la présence d‟une vie passée ou présente. Même si la vie n‟est pas définie de manière universelle, nous sommes capables d‟en déterminer ce qui la caractérise. Le terme de biomarqueur peut être employé en substitution du terme de biosignature, c‟est-à-dire une combinaison de composés qui, après identification et mesure, révèlerait une présence de vie. Un biomarqueur se doit de produire des preuves indiscutables d’une présence passée ou présente de vie. Il s‟agit typiquement d‟un fossile, ou d‟une caractéristique de la vie telle que nous l‟aurons définie. Un biomarqueur doit être produit par la vie et la vie seule, ne doit pas avoir une explication alternative à la vie pour justifier son existence. S‟il s‟agit d‟une trace de vie potentielle, avec par exemple une explication abiotique, on parlera alors de bioindice.

Si la vie est détectée ailleurs que sur Terre, cela aura une répercussion considérable. En effet, cela signifierait que la vie n‟est pas unique, qu‟elle peut être présente sur de nombreuses autres planètes, dans d‟autres systèmes solaires et d‟autres galaxies de l‟Univers (Brack 2000). La détection d‟indices ou de signatures de vie, chimique (composition élémentaire, ratios isotopiques, chiralité etc.) ou morphologique (inspection macroscopique et microscopique de la surface des échantillons, sur une base de techniques analytiques paléontologiques, biologiques ou minéralogiques), ou d‟une signature globale (la signature infrarouge du dioxyde de carbone peut indiquer une exoplanète tellurique, la présence d‟eau, un indice en faveur d’une possible habitabilité, une détection d‟O3, une absorption différentielle de la lumière polarisée circulairement correspond à une biosignature potentielle) est parmi les objectifs prioritaires des missions d‟exploration spatiale de la NASA et de l‟ESA.

Il devient donc indispensable, pour la communauté des exobiologistes, de pouvoir recenser les moyens et les connaissances qui nous permettent d’identifier au mieux les indices présents ou passés de possibles traces de vie.

Ratios isotopiques

Il est bien connu des biologistes que les être vivants privilégient le 12C plutôt que son isotope plus lourd le 13C lors des processus autotrophiques de fixation du carbone inorganique en carbone organique. Cette conversion de 13C en 12C est retenue dans les résidus de carbones biogéniques. La redistribution isotopique des carbones la plus notable se produit lors de la photosynthèse, où les enzymes de fixation du CO2 utilisent préférentiellement le 12CO2. le taux de carbone 13 diminue alors en faveur du carbone 12. Sur Terre, cette préférence du 12C lors de la photosynthèse représente un changement de ratio de 20 à 30%. Cette différence reste relativement stable et permanente, étant maintenue continuellement depuis 3,5 milliards d‟années.

Puisqu’il ne semble pas exister de réaction ou de systèmes abiotiques capables de conduire à un tel enrichissement, cette préférence de la vie envers le 12C peut donc être utilisée comme biomarqueur. Cependant une telle conclusion nécessite que le ratio isotopique des précurseurs carbonés soit connu.

L‟abondance relative de certains isotopes par rapport à d‟autres peut donc être considérée comme un bioindice, indiquant une présence potentielle de vie dans l‟échantillon étudié. De même que pour le fractionnement isotopique 12C/13C, un fractionnement de 30% est détecté pour l‟abondance d‟hydrogène comparé à son isotope lourd, le deutérium, sur Terre. Cette différence provient de l‟activité des microorganismes méthanogènes. Un tel ratio 1H/2H repéré sur Mars serait un indice fort en faveur de la présence de microorganismes (Brack et al. 1999). De la même manière, le fractionnement isotopique biologique 15N/14N (par dénitrification bactérienne préférentielle du 14NO3) rend intéressante la détermination de ce rapport dans des systèmes extraterrestres. Il en est de même pour la détermination d‟un éventuel changement de composition isotopique 32 S /34S dû à la réduction préférentielle des sulfates 32S par les bactéries. La sulfato réduction est l‟un des mécanismes énergétiques les plus primitifs, et est très courant dans l‟environnement terrestre moderne.

C’est en se basant sur de telles constatations que le rover martien Beagle 2 a embarqué un spectromètre de masse (expérience GAP) capable de mesurer le ratio isotopique 12C/13C dans le dioxyde de carbone. Si BeagIe 2 ne s’était pas perdu, il aurait ainsi été capable de détecter un excès isotopique supérieur à 3% synonyme d’une possible vie passée ou présente sur Mars (Wright et al. 2003).

Activité biologique – marqueurs métaboliques

Certains composés produits par le métabolisme, notamment des composés gazeux comme par exemple le CH4, H2S, CH3SH (methyl mecarptans) et N2O, sont observés dans des cultures ou sur des colonies microbiennes in situ. Si ces gaz peuvent être détectés dans des conditions extraterrestres, en parallèle avec d‟autres indices, il serait fort probable qu‟une forme de vie ait pu les produire. Ces résidus d‟activité métabolique ne seraient cependant que des indices ; combiné au fait que cette détection ne soit pas la plus facilement réalisable, cette méthode n‟est pas la plus adéquate. Cependant, s‟ils sont identifiés, ces indicateurs de métabolisme pourraient avoir des implications importantes pour l‟identification d‟une possible forme de vie. Sur Mars, du méthane a été détecté à hauteur de 250 ppb avec des variations spatiales (Formisano et al. 2004; Krashnopolsky et al. 2004; Mumma et al. 2004; Allen et al. 2006; Villanueva et al. 2008; Mumma et al. 2009). Ces mesures sont proches de la limite de détection des techniques utilisées et méritent d’être confirmées. Si ces observations sont exactes cela signifie que les sources de méthane relarguent leur gaz en continue, accréditant la thèse d’une possible vie martienne ou simplement d’un phénomène géologique tels que du volcanisme ou des réactions à basses températures entre roche et eau.

Energie

Toute forme de vie nécessite de l‟énergie, quelle que soit sa composition, ses fonctions ou ses similitudes avec les formes de vie terrestres. Il serait donc possible d‟identifier une forme de vie exotique, totalement étrangère à celle que nous connaissons, en détectant ses émissions énergétiques. Il deviendrait alors intéressant de trouver les composants chimiques clés d‟une chaîne de transport d‟électrons, utilisée par l‟organisme pour drainer l‟énergie dans des réactions contrôlées d‟oxydoréduction entre les donneurs et les accepteurs d‟électrons (Crawford et al. 2001), pour y voir une signature énergétique. Etant donné que l‟adénosine tri-phosphate (ATP) est la molécule énergétique universelle du vivant , et puisque se rattacher à une forme de vie existante restera « humainement » et scientifiquement inévitable, il serait donc intéressant d‟essayer de révéler la présence d‟ATP dans des environnements extraterrestres.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I – De l’état de l’art
I.1. Pourquoi l’homochiralité ?
I.1.1. Biomarqueurs – Bioindices
I.1.1.a. Ratios isotopiques
I.1.1.b. Activité biologique – marqueurs métaboliques
I.1.1.c. Energie
I.1.1.d. Présence de molécules organiques complexes – marqueurs moléculaires
L’ADN, la biosignature par excellence
Biosignature moléculaire
I.1.1.e. De la chiralité à l’homochiralité
Une brève histoire de l’activité optique
L’homochiralité pour définition de la vie (terrestre)
Origines de l’homochiralité
Théorie biotique
Théories abiotiques
L’apparition d’un excès énantiomérique
L’amplification de l’excès énantiomérique
I.1.2. La Lune
I.1.3. Les controverses de la météorite de Murchison
I.1.4. Stabilité du matériel (pré)biologique en conditions spatiales
I.1.5. La racémisation
Stabilité de la molécule et de son message énantiomérique
I.2. Où chercher la vie ?
Mars, candidate idéale
I.3. Les molécules d’intérêt exobiologiques
I.3.1. L’origine des molécules prébiotiques sur Mars
I.3.1.a. Exogène
Observations dans le MIS
Simulations du MIS
La matière organique sur les météorites, micrométéorites et comètes
Météorites
Comètes
Micrométéorites
La quantité d’apports exogènes
I.3.1.b. Endogène
I.3.2. Les acides nucléiques
I.3.3. Les acides carboxyliques et la théorie de Benner
I.3.4. Les acides aminés
I.3.5. Pertinence des molécules et du message
I.4. Les techniques de séparations et d’analyses chirales
I.4.1. Eléctrophorèse Capillaire
I.4.2. Chromatographie
I.4.2.a. Chromatographie en Phase Liquide (CPL)
I.4.2.b. Chromatographie en Phase Gazeuse (CPG)
I.4.3. Spatialisation de la technique d’analyse in situ
Les missions spatiales embarquant de la CPG-SM
I.5. Les colonnes chromatographiques
I.5.1. Les colonnes chromatographiques achirales
I.5.2. Les colonnes chromatographiques chirales
I.5.2.a. Ponts hydrogène
I.5.2.b. Complexation/coordination
I.5.2.c. Inclusion (cyclodextrines modifiées)
I.6. La fonctionnalisation chirale
I.6.1. Généralités
I.6.2. Alkyle-alkoxyle-carbonylation/perfluoroestérification (chloroformiate d’alkyle)
I.6.3. Perfluoroacylation/perfluoroestérification
I.6.4. Alkylation (N,N-diméthylformamide diméthyl-acétal (DMF-DMA))
I.7. Objectifs expérimentaux de la thèse
I.8. Références
Chapitre II – De la fonctionnalisation et séparation énantiomérique des molécules organiques
II.1. Etude comparative de la séparation des molécules organiques volatiles
II.1.1. Objectif
II.1.2. Matériel et méthodes
II.1.2.a. Le hardware
II.1.2.b. Les molécules cibles
II.1.2.c. Les phases stationnaires
Théorie des plateaux
Paramètres cinétiques : mesure de l’efficacité d’une colonne chromatographique
II.1.3. Résultats et discussion
II.1.3.a. Optimisation des paramètres cinétiques de la séparation chromatographique
II.1.3.b. Le comportement des solutés et grandeurs thermodynamiques
II.1.3.c. Paramètres thermodynamiques : mécanismes de séparation
II.1.3.d. Réponse chromatographique, limite de détection et limite de quantification
II.1.4. Conclusion
II.2. Etude de la séparation chirale des acides aminés biogéniques
II.2.1. Matériels et méthodes
II.2.1.a. Chromatographe en phase gazeuse couplé à un spectromètre de masse
II.2.1.b. Molécules
Les molécules cibles
L’étalon interne
L’agent de fonctionnalisation ; le DMF-DMA
II.2.1.c. Procédure de fonctionnalisation
II.2.2. Résultats et discussion
II.2.2.a. Optimisation de l’analyse chromatographique
Détermination de la vitesse optimale du gaz vecteur
II.2.2.b. Optimisation de la programmation de température pour la séparation chromatographique chirale des acides aminés
II.2.2.c. Librairie de masse spectrale et informations structurelles des molécules d’intérêt
Librairie de spectre de masse et fragmentation des acides aminés
II.2.2.d. Optimisation de la fonctionnalisation
Optimisation de la température et du temps de la réaction de fonctionnalisation
La racémisation
Tentatives d’amélioration des conditions expérimentales
– Racémisation
– Rendement
II.2.2.e. Séparation chromatographique et résolution des paires énantiomériques
Séparation chirale
Résolution chromatographique
II.2.2.f. Etudes quantitatives
Linéarité – Courbe de calibration
Limites de détection et limites de quantification
Mode Single Ion Monitoring (SIM)
II.2.3. Conclusion
II.3. Stabilité du DMF-DMA
II.3.1. Mode opératoire
II.3.2. Résultats et discussion
II.3.3. Conclusion
II.4. Les autres composés d’intérêt exobiologique
II.4.1. Les acides aminés non protéiniques
II.4.2. Les acides carboxyliques
II.4.3. Les bases nucléiques
II.5. Pertinence de ces valeurs par rapport aux valeurs attendues sur Mars
II.5.1. Les sources exogènes
II.5.1.a. Les micrométéoritiques
II.5.1.b. Les météorites
II.5.1.c. Les comètes
II.5.1.d. Les poussières interplanétaires
II.5.1.e. Les sources endogènes
II.5.2. Conclusion
II.6. Comparaison Chirasil-Val et Chirasil-Dex
II.7. Discussion générale
II.8. Conclusion
II.9. Bibliographie
Chapitre III – De la conception et la réalisation de l’expérience spatialisable
III.1. Introduction
III.2. Le Dispositif de Préparation de l’Échantillon (DPE)
III.2.1. Descriptif du Dispositif de Préparation d’Échantillon
III.2.2. Principe général de fonctionnement du Dispositif de Préparation de l’Echantillon (DPE)
III.2.2.a. One pot – two steps
III.2.2.b. One pot – one step
III.2.2.c. Principe mécanique
III.3. Mise point d’un point d’un protocole expérimental d’analyse de la matière organique pour le spatial
III.3.1. Les différentes matrices utilisées
III.3.1.a. Analogue
III.3.1.b. Sol de Jardin
III.3.2. Caractérisation du sol de jardin
III.3.3. Mise au point de la thermodésorption comme technique d’extraction in situ
III.3.3.a. Principe de la thermodésorption
III.3.3.b. Principe de la fonctionnalisation
III.3.3.c. La thermodésorption
Procédure expérimentale
Résultats et discussion
III.3.3.d. Comparaison thermodésorption – extraction solide-liquide assistée par ultrasons
III.4. Application à l’expérience MOMA de la thermodésorption suivie de la fonctionnalisation au DMF-DMA
III.4.1. Contraintes de la spatialisation
III.4.2. Procédure expérimentale
III.4.3. Résultats et discussion
III.4.3.a. Optimisation de la température
III.4.3.b. Optimisation de la durée de la thermodésorption
III.4.3.c. Optimisation de la durée de fonctionnalisation
III.4.3.d. Influence de la quantité de sol et de réactif
III.4.4. Proposition et tests de la procédure d’analyse des composés réfractaires pour l’expérience MOMA
III.4.4.a. Méthodologie
III.4.4.b. Sol de jardin
III.4.4.c. Sol du désert d’Atacama
III.5. Conclusion
III.6. Perspectives
III.7. Bibliographie
Conclusion générale

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