Dévoiler des formes de vie vieilles d’un milliard d’années avec une vision aux rayons X

Une équipe internationale de scientifiques du Brésil, de France et de Suisse, avec le soutien financier de l'Institut Serrapilheira et de Fapesp, a obtenu les observations 3D les plus détaillées jamais obtenues de traces de vie très anciennes sur Terre. Les microfossiles étudiés, de la formation Gunflint, au Canada, ont environ 1,9 milliard d'années et sont les restes préservés de micro-organismes similaires aux bactéries existantes aujourd'hui, mais d'une époque où seule la vie microscopique existait sur Terre. Grâce à une méthode d'imagerie avancée basée sur la lumière synchrotron, des détails sans précédent sur la forme, la composition et la conservation de ces microfossiles ont été obtenus. De plus, dans une localité, des fossiles précédemment appelés « recouverts d'hématite » se révèlent être composés de matière organique, invisible en microscopie optique, recouverte de cristaux de maghémite d'oxyde de fer, au lieu d'hématite. Cette découverte remet en question notre compréhension de la vie passée et ouvre des perspectives passionnantes pour l'étude de fossiles encore plus anciens ou de futurs échantillons rapportés de Mars.

Maldanis, L., Hickman-Lewis, K., Verezhak, M. et al. Nanoscale 3D quantitative imaging of 1.88 Ga Gunflint microfossils reveals novel insights into taphonomic and biogenic characters. Scientific Reports 10, 8163 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-65176-w

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Observation 3D des microfossiles

Des réseaux organométalliques pour l’émission proche-infrarouge des lanthanides

Les chercheurs du groupe "Composés luminescents de lanthanides, spectroscopie et bioimagerie optique" et de l’université de Pittsburgh (USA) ont conçu un système chimique tridimensionnel rigide de type réseau organométallique composé de lanthanides et de molécules organiques. Une originalité majeure de ce travail est basée sur l’utilisation de la cavité de ce réseau pour générer in situ le système moléculaire sensibilisant les cations lanthanides. Cette nouvelle approche présente entre autre l’avantage de permettre le contrôle de la longueur d’excitation. Ce réseau est bien adapté aux conditions réelles de l’imagerie biomédicale optique sur cellules vivantes.

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Ces travaux ont été publiés dans Journal of American Chemical Society

Patrick F. Muldoon, Guillaume Collet, Svetlana V Eliseeva, Tian-Yi Luo, Stephane Petoud, and Nathaniel L Rosi. Ship-in-a-bottle preparation of long wavelength molecular antennae in lanthanide metal-organic frameworks for biological imaging. J. Am. Chem. Soc. (2020) 142, 8776-8781 - doi : 10.1021/jacs.0c01426

Volontaires

A la suite d’un appel à volontaires auquel le personnel du CBM a répondu très largement, 7 de nos agents, experts en biologie moléculaire, ont rejoint par période de 3 semaines l’équipe du Centre Hospitalier Régional d’Orléans en charge des tests de dépistage du SARS-CoV2 dans les prélèvements naso-pharyngés. Mobilisés cinq jours par semaine, nos agents participent ainsi à la montée en puissance des capacités de dépistage du coronavirus dans notre région.

Le manganèse : un agent double pour l’imagerie ?

Depuis 35 ans, des complexes de gadolinium (Gd3+) sont utilisés comme agents de contraste IRM avec succès ; mais récemment l’innocuité de certains agents a été remise en cause. Le remplacement du Gd3+ par le manganèse (Mn2+), un métal biocompatible, permettrait de proposer des agents plus sûrs. Pour cela, les complexes doivent être inertes, donc ne pas relâcher le Mn2+ in vivo, et posséder une molécule d’eau coordonnée au métal pour une efficacité en IRM. Or, combiner ces deux propriétés reste un défi.

L’équipe « Complexes métalliques et IRM » du CBM et des collaborateurs de l’IPHC (Strasbourg) ont synthétisé et étudié un ligand de type bispidine, une molécule cage très adaptée à la complexation du Mn2+. Ce complexe de Mn2+ a une inertie cinétique inégalée et son efficacité IRM a été validée dans des expériences précliniques.
Le 52Mn est un radionucléide émergeant pour la tomographie à émission de positrons (TEP). Le Mn2+ est ainsi l'unique métal permettant à la fois l’imagerie par IRM et TEP. Cependant, l’utilisation du 52Mn est limitée par sa faible disponibilité et un manque de ligand adéquat.
Pour la première fois en France, le 52Mn a été produit au cyclotron d’Orléans, et le 52Mn-bispidine obtenu avec succès.
Toutes ces propriétés font de la bispidine un ligand prometteur pour l’IRM et la TEP. Il assure une inertie cinétique inégalée et permet d’envisager l’utilisation du Mn2+ sans risque de toxicité.

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Eva Toth, Daouda Ndiaye, Maryame Sy, Agnès Pallier, Sandra Même, Isidro de Silva, Sara Lacerda, Aline M. Nonat, Loïc J. Charbonnière Unprecedented kinetic inertness for a Mn2+‐bispidine chelate: a novel structural entry for Mn2+‐based imaging agents - Angewandte Chemie, 2020, https://doi.org/10.1002/anie.202003685

Matériels d’urgence pour le CHRO

Les premiers jours du confinement ont été l’occasion pour les  équipes du CBM de recenser l’ensemble des matériels et équipements présents au laboratoire et qui pourraient aider le Centre Hospitalier Régional d’Orléans (CHRO). Trois palettes de blouses, gants, masques, charlottes, tubes, etc... ont été préparées par quelques collègues et transférées au CHRO.

Dans le cadre d’un accord passé entre le CNRS et la Fédération nationale des dispositifs de ressources et d’Appui a la Coordination des parcours en Sante (FACS), les stocks de solvants du CBM vont aussi être acheminés à l'Institut de chimie des milieux et matériaux de Poitiers qui va fabriquer du gel hydro alcoolique.

Comprendre l’influence de la chimie de l’océan sur les premiers écosystèmes terrestres en étudiant les métallomes, ces éléments métalliques nécessaires au vivant.

Etudier les premières traces de vie est particulièrement délicat. Beaucoup de travaux se limitent à des approches basse résolution ou sont centrés autour d’une unique technique.

Nous avons initié une nouvelle approche pour étudier cette vie ancienne : utiliser la distribution des éléments traces métalliques et de la matière carbonée. Pour ce faire, nous avons utilisé plusieurs méthodes : la microsonde nucléaire PIXE (Particle-Induced X-ray Emission Spectroscopy en anglais), l’analyse géochimique isotopique du carbone et la microscopie électronique. Ceci nous a permis de découvrir des signatures du vivant sous forme d’éléments traces dans des roches d’Afrique du Sud âgées de 3,3 milliards d’années. Les enrichissements en métaux observés reflètent l’habitat de cette vie primitive qui était alors fortement influencé par l’activité hydrothermale. Ces signatures confortent ainsi l’hypothèse de longue date selon laquelle la dépendance du vivant aux éléments traces est directement liée à la concentration de ces éléments dans l’environnement hydrothermal riche en métaux où la vie se développe.

Cette étude s’est appuyée sur le concept de métallome qui correspond à l’ensemble des espèces inorganiques (métaux et métalloïdes) présents dans une cellule. En effet, bien que le génome et le protéome ne survivent pas à la fossilisation sur plusieurs milliards d’années, il était probable que la concentration en métaux dans la matière carbonée soit préservée. Nos analyses montrent en effet que c’est le cas dans de nombreuses microstructures riches en carbone observés dans les roches de Josefsdal en Afrique du Sud.

Nous avons ainsi trouvé qu’une gamme d’éléments cruciaux pour la vie anaérobie, tels que Fe, V, Ni, As et Co, étaient plus concentrés dans la matière carbonée caractérisée par des signatures isotopiques de carbone négatives, c’est-à-dire en accord avec une origine biologique. Mo et Zn, des contributions récentes au métallome, étaient absents. Nous proposons que, malgré l’absence de préservation cellulaire, la signature observée de l’enrichissement en métaux dans la matière organique démontre son origine biologique. De plus, il est possible de reconstruire des métabolismes à partir de ces « paléo-métallomes » fossilisés. En effet, la présence de Fe, V, Ni et Co suggère des consortiums d’organismes lithotrophiques ou organotrophiques utilisant le cycle du méthane ou de l’azote.

La composition de ce « paléo-métallome » pourrait permettre de comprendre les réseaux métaboliques des plus anciens écosystèmes terrestres et pourrait potentiellement servir de biosignatures lors de l’analyse de la matière organique à la surface de Mars. Cependant, la microscopie haute-résolution reste indispensable pour écarter la possibilité que de tels enrichissements soient simplement la signature élémentaire de micro-minéraux. Cette étude met également en lumière l’importance de l’approche multi-techniques pour l’étude des plus anciennes traces de vie.

L’article “Metallomics in deep time and the influence of ocean chemistry on the metabolic landscapes of Earth’s earliest ecosystems” est paru le 18 mars 2020 dans la revue Scientific Reports.

Contacts: keyron.hickman-lewis@cnrs.fr; frances.westall@cnrs.fr