Centre de biophysique moléculaire - UPR 4301

Contribuer à comprendre l’origine de la vie terrestre

DESCRIPTIF DU TRAVAIL DE RECHERCHE

L’exobiologie (aussi appelée astrobiologie par les anglo-saxons) est une science ayant pour objet l’étude des facteurs et processus, notamment géochimiques et biochimiques, pouvant mener à l’apparition de la vie et à son évolution. Ceci s’applique aussi bien à l’émergence de la vie sur terre, il y a 4 milliards d’années, qu’à la possibilité d’une vie ailleurs dans le système solaire. Elle s’attache à rechercher d’éventuels processus présidant à l’évolution de la matière organique simple (biomolécules) vers des structures plus complexes (premières cellules, premiers systèmes génétiques…) et à étudier d’éventuelles traces de vie sur d’autres objets célestes.

Les travaux de l’équipe d’exobiologie portent sur les thèmes suivants :
 l’origine des briques de la vie et l’origine de l’homochiralité du vivant,
 l’environnement géologique à l’origine de la vie et la recherche de traces de vie dans des sédiments terrestres très anciens,
 la recherche d’une vie passée et actuelle sur Mars.

1) Formation des briques de la vie

Les molécules organiques synthétisées dans l’espace ont-elles conduit à l’émergence du vivant sur la Terre prébiotique il y a plus de 4 milliards d’années ? Pour répondre à cette question, notre équipe étudie l’hypothèse que la matière organique a été importée de l’espace par les météorites ou les micrométéorites. Pour ce faire, elle étudie la stabilité des acides aminés aux conditions de l’espace et à l’impact météoritique. L’équipe a collaboré avec le NASA-Johnson Space Center de Houston sur un projet de simulation d’impacts météoritiques et est actuellement impliquée dans les expériences EXPOSE-R et EXPOSE-Eutef qui ont lieu sur la Station Spatiale Internationale (ISS). Différentes expériences d’irradiation en laboratoire sont de plus mises en œuvre dans le but d’étudier l’effet du rayonnement VUV sur des acides aminés et dipeptides.

2) La Terre primitive et les premières traces de vie

Des études pluridisciplinaires, coordonnées par F. Westall, sont menées en collaboration avec plusieurs groupes français et étrangers afin d’analyser les traces de vie microbienne dans les sédiments les plus anciens (3,5 milliards d’années). Ces travaux permettent d’acquérir une meilleure connaissance de l’évolution de la vie à cette période. Des fossilisations expérimentales de microorganismes qui auraient pu vivre sur la Terre primitive (extrêmophiles) sont réalisées en parallèle afin de mieux comprendre le processus de fossilisation de ces organismes primitifs (collaboration avec l’ ISTO d’Orléans et le LMEE de Brest).

Afin de menées à bien ces études, des méthodes d’analyses poussées sont mises en œuvre : la spectroscopie Raman et la microscopie à force atomique (CBM, Orléans), les microscopies électroniques à balayage en transmission (Université d’Orléans), la préparation de coupes ultrafines au FIB (IEMN, Lille), la microscopie aux rayons X et la micro-XANES (ESRF, Grenoble), la NanoSIMS (MNHN, Paris) et la SIMS (CRPG, Nancy).

3) La recherche de traces de vie sur Mars

Afin d’étudier des traces d’une vie passée sur Mars il existe plusieurs solutions : réaliser des analyses in situ (mission ExoMars en 2018), rapporter des échantillons sur Terre (mission Mars Sample Return, MSR, 2022) ou analyser des météorites sédimentaires.

Notre groupe est à l’origine d’un des instruments qui équiperont le robot Pasteur de la mission européenne ExoMars : le close-up imager (jouant le rôle de la loupe du géologue). Nous sommes également impliqués dans la réflexion sur la coopération entre les deux rovers, ExoMars (ESA) et Max-C (NASA) dans la nouvelle configuration de la mission martienne internationale pour 2018. Enfin, nous travaillons également sur la constitution d’une lithothèque de roches analogues de Mar,s en collaboration avec l’Observatoire des Sciences de l’Univers en région Centre (OSUC, Orléans), permettant de tester les futurs dispositifs spatiaux et de faciliter l’interprétation des analyses in situ. Cette collection de roches et sa base données associée aideront à sélectionner les échantillons à prélever en vue de leur retour sur Terre, lors de la future mission MSR, et à élaborer les protocoles expérimentaux à mettre en œuvre pour leur analyse.

Sous la direction du Groupe d’Exobiologie (Orléans), les expériences spatiales STONE-5 et STONE-6 ont été réalisées afin de tester la survie éventuelle de sédiments et fossiles martiens (toutes les météorites martiennes découvertes à ce jour étant d’origine volcanique). Des météorites artificielles analogues de sédiments martiens, dont certains contenaient des microfossiles de 3,5 milliards d’années, ont été soumises à l’entrée dans l’atmosphère terrestre. Il a été démontré que les météorites sédimentaires martiennes pouvaient survivre à l’entrée atmosphérique mais que leurs caractéristiques différentes de celles des météorites volcaniques pouvaient expliquer pourquoi elles n’ont jamais été découvertes. L’expérience STONE-6 a également prouvé que d’hypothétiques traces de vie fossile pourraient y être retrouvées. Enfin, des bactéries cryptoendolithiques vivantes ont été placées à l’arrière de ces météorites afin de tester l’hypothèse de la panspermie. Elles ont été retrouvées carbonisées, démontrant qu’une couche de plusieurs centimètres aurait été nécessaire à leur survie.

PERSPECTIVES D’AVENIR

Des expériences liées aux trois thématiques principales sont poursuivies avec :

• l’exposition de molécules organiques à bord de la Station Spatiale Internationale ou par simulations au sol,
• la recherche de biosignatures de la vie fossile,
• la fossilisation artificielle de macromolécules prébiotiques, de bactéries extrêmophiles et de virus,
• La constitution d’une lithothèque de roches analogues de Mars.

Liste des principales publications

• Foucher, F ; Westall, F ; Brandstätter, F ; Demets, R ; Parnell, J ; Cockell, C S ; Edwards, H G M ; Bény, J-M ; Brack, A Testing the survival of microfossils in martian sedimentary meteorites during Earth’s atmospheric entry : the STONE 6 experiment. Icarus (2010), 10.1016/j.icarus.2009.12.014.

• Orange, F ; Westall, F ; Disnar, J R ; Prieur, D ; Bienvenu, N ; Leromancer, M ; Defarge, C Experimental silicification of the extremophilic Archaea Pyrococcus abyssi and Methanocaldococcus jannaschii : applications in the search for evidence of life in early Earth and extraterrestrial rocks (2009) Geobiology 7, 403-418

• Bertrand M., Van der Gaast S., Vilas F., Hörz F., Haynes G., Chabin A., Brack A. and Westall F The fate of Amino Acids during simulated Meteoritic Impact (2009) Astrobiology, Vol.9, 10, 943-951.

• Bertrand, M., Chabin, A., Brack, A., Westall, F. Separation of amino acid enantiomers via chiral derivitization and non-chiral gas chromatography. (2008) J. Chromatography, 1180, 131-137.

• Brack, A. From interstellar amino acids to prebiotic catalytic peptides Chem. Biodivers. (2007) 4 665-679

• Lemelle, L ; Labrot, P ; Salomé, M ; Simionovici, A ; Viso, M ; Westall, F. In situ imaging of organic sulfur in 700-800 My-old Neoproterozoic microfossils by X-ray spectromicroscopy at the S K-edge Org. Geochem. (2007) 39 188-202

• Pullan, D ; Westall, F ; Hofmann, BA ; Parnel, J ; Cockell, CS ; Edwards, HGM ; Jorge Villar, SE ; Schröder, C ; Cressey, G ; Marinangeli, L ; Richter, L ; Klingelhöfer, G Identification of morphological biosignatures in martian analog field specimens using in situ planetary instrumentation : an integrated approach Astrobiology (2007) 1180 131-137

• Westall, F ; De Ronde, CEJ ; Southam, G ; Grassineau, N ; Colas, M ; Cockell, C ; Lammer, H Implications of a 3.472-3.333 Ga-old subaerial microbial mat from the Barberton greenstone belt, South Africa for the UV environmental conditions on the early Earth. Phil. Trans. Roy. Soc. Lond. Series B (2006) 361 1857–1875

• Westall, F Life on the early Earth : a sedimentary view Science (2005) 308 (5720) 366-367

• Munoz Caro, GM ; Meierhenrich, JJ ; Schutte, WA ; Barbier, B ; Arcones Segovia, A ; Rosenbauer, H ; Thiemann, WHP ; Brack, A ; Greenberg, JM Amino acids from ultraviolet irradiation of interstellar ice analogues Nature (2002) 416 403 - 406

PRINCIPALES TECHNIQUES EMPLOYEES

• Analyse de molécules organiques par chromatographie gazeuse ou liquide
• Fossilisation de bactéries, virus et macromolécules
• Mise au point de méthodes d’analyses de microfossiles inclus dans des roches en faisant appel aux techniques suivantes :
• Microscopie optique
• Microscopie à force atomique
• Spectrométrie Raman
• Microscopie électronique à balayage et à transmission
• Réalisation de coupes FIB (IEMN, Lille)
• Microscopie aux rayons X (ESRF-Grenoble)
• XANES (ESRF-Grenoble)
• NanoSIMS (MNHN-Paris)
• SIMS (CRPG-Nancy)

PRINCIPAUX EQUIPEMENTS UTILISES

• Chromatographe phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse (GC-MS)
• Chromatographie liquide haute performance analytique et préparative (HPLC)
• Spectromètre Raman couplé avec un microscope à force atomique
• Microscope à force atomique
• Microscope optique
• Chambre d’irradiation reproduisant les conditions de vide et d’irradiation de l’espace.

DESCRIPTIF DU TRAVAIL DE RECHERCHE

Voir les légendes :

• Figure 1 : Image AFM d’un microfossile dans une roche.
• Figure 2 : Image par microscopie électronique à balayage de microfossiles dans des roches datant de 3.5 milliards d’années.
• Figure 3 : Image en microscopie électronique à balayage de micro-organismes fossilisés expérimentalement.
• Figure 4 : EXPOSE-R sur la Station Spatiale Internationale (ISS).
• Figure 5 : Cartographie Raman tridimensionnelle de microfossiles dans une roche.

WESTALL Frances Directrice de recherche CNRS , Responsable de l’équipe     @

BRACK André Directeur de recherche honoraire CNRS   @

CHABIN Annie Ingénieur d’études CNRS     @

BERTRAND Marylène Ingénieur d’études CNRS     @

FOUCHER Frédéric Post-Doctorant     @