Des briques du vivant dans l'Espace ?

La mission Tanpopo étudie le transfert interplanétaire de composés organiques prébiotiques et d’intérêt biologique. La 1ère phase de collecte et d'exposition s'est déroulée de mai 2015 à février 2018 à l'aide d’une installation exposée et située à l'extérieur de Kibo, le module expérimental japonais de l’ISS. La mission, conçue et exécutée par le Japon, recueille la poussière cosmique à l'aide de gel de silice à très faible densité (aérogel) afin de l’analyser pour y détecter les composés après leur retour sur Terre. Le principal chercheur est Akihiko Yamagishi, qui dirige une équipe de chercheurs de 26 universités et institutions au Japon, dont la JAXA.

A la suite de nos premiers travaux (El Amri, C., et al.) qui portaient sur la détection de l’Adénine dans des météorites, par spectrométrie Raman, le Pr. Akihiko Yamagishi, a pris contact avec nous au titre de la mission Tanpopo pour nous proposer une collaboration spatiale dans le but de rechercher des molécules d’intérêt biologique. L’objectif est de mettre au point une méthode d’analyse performante pour la détection des briques élémentaires d’acides nucléiques, mais également de briques et composés protéiques au sein d’une matrice. L’axe de recherche présenté ci-dessous est en continuité avec les travaux déjà réalisés avec l’aide du CNES, dont une partie a fait l’objet des travaux post-doctoraux de C. El Amri (post-doc CNES : 4 articles publiés pendant son post-doctorat).

Ces travaux ont été repris et étendu à des molécules plus grosses que l’Adénine, voire des oligoribonucléotides (Percot et al, 2009). Il s’agit d’un projet avec une spécificité d’outil et de méthode spectroscopique et spectrométrique.

Plus spécifiquement, notre objectif est d’abaisser le seuil de détection et d’activité de l’adénine et de tous composés purique/pyrimidique (Maurel et al, 2019), puis celui d’autres petites molécules biologiques tels que des acides aminés-peptides, qui tous pourraient être contenus en quantités infimes dans les poussières extraterrestres piégées par l’aérogel de Tanpopo.

Pour ce faire, nous nous appuyons sur les spectroscopies Raman et SERS (Surface Enhanced Raman Spectroscopy) qui devraient nous permettre d’obtenir des cartographies chimiques 3D des échantillons d’aérogel de Tanpopo. L’Institut d’Astrophysique Spatiale (IAS, CNRS - Univ. Paris Sud-Orsay) se joint à nous pour la suite du projet. L’équipe « Astrochimie et Origines » y a développé une expertise de longue date dans l’analyse de matière extraterrestre de taille micrométrique, telle que les poussières cométaires collectées par la mission Stardust ou les poussières interplanétaires (IDP) collectées par la NASA dans la haute atmosphère terrestre. La collaboration avec l’IAS repose sur l’idée de développer un protocole de multi-analyses coordonnées (Noun et al., Life, 2019, 9, 2, 44) qui dans un premier temps adjoindrait la micro-spectro-imagerie (Dionnet et al., Meteor. Planet. Sci., 2018, 53, 2608-2623) et la micro-tomographie (Dionnet et al, Meteor. Planet. Sci., 2020, accepté) infrarouges (Ligne SMIS, synchrotron SOLEIL) aux mesures Raman et SERS. Cela permettrait d’avoir une caractérisation plus complète des échantillons collectés par Tanpopo et donnerait en particulier un contexte minéralogique aux molécules d’intérêt biologique recherchées par ce projet. Le Pr. Yamagishi nous a confié des échantillons vierges d’aérogel pour mettre au point la détection et calibrer les différents essais. Sa visite en Janvier 2019 nous a permis de lui présenter l’état des travaux. 

De plus, on sait aujourd’hui miniaturiser des instruments du type Raman et la mise au point d’une nouvelle méthode de détection par ce type de spectroscopie permettra d’explorer les roches et les sols extra-terrestres lors de vols spatiaux susceptibles d’embarquer cette instrumentation.

En 2021-2022 les travaux ont portés sur:

-       Optimisation de la détection du tryptophane par SERS en solution

-       Optimisation de la préparation d’analogues de poussières extraterrestres (à base de montmorillonite, serpentinite, silice) dopées en adénine et en tryptophane, avec pression et chauffage

-       Caractérisation de ces poussières par imagerie Raman et Infrarouge

-       Caractérisation de ces poussières par SERS

-       Caractérisation des échantillons modèles (constitués de poussières de la météorite Murchison projetées dans l’aérogel de silice par un canon à gaz léger) fournis par les collègues japonais par imagerie Raman : analyse de la poussière incluse dans l’aérogel de silice via les bandes G et D associée à la matière carbonée, obtention d’une image 3D de la poussière.

L’optimisation de la détection par SERS du tryptophane nous a permis de descendre à des concentrations de l’ordre de 10-5M, et a permis de mettre en évidence l’influence du sel et du pH, c'est-à-dire de la charge de surface de l’analyte sur la détection en solution.

Un protocole inspiré des travaux de Dos santos a été utilisé, afin de préparer des analogues de poussières à base d’adénine et de tryptophane incubés en présence de roches broyées (serpentinite et silice) ou d'argile (montmorillonite). Ces analogues préparés sous pression, avec ou sans chauffage ont pour but de simuler au mieux la matrice minérale détectée dans les météorites (pour de futures synthèses prébiotiques en phase solide) et de permettre d’optimiser les méthodes de caractérisation de traces. La matrice minérale a pu être caractérisée par spectroscopie Raman et Infrarouge, en collaboration avec D. Baklouti (IAS). L’adénine et le tryptophane n’ont pu être mise en évidence avec ces 2 méthodologies. Une cartographie en SERS a permis de mettre en évidence des traces d’adénine après dépôt d’une goutte de colloïde d’argent sur l’échantillon .

Sont actuellement prévus au plan expérimental : préparation de différents types de prototypes de poussières extraterrestres (carbonées et silicatées) qui contiendront de l’adénine en quantités variables. Inclusions dans l'aérogel, et identification de l'adénine dans ces échantillons. Pour simuler les conditions d'inclusion spatiales, dans un premier temps, chauffer en surface les poussières, pour au moins en partie reproduire l'échauffement de l'échantillon lors de la pénétration et le freinage des poussières dans l'aérogel de Tanpopo (Liu et al, Icarus, 2019, 317, 365-372). Cela devrait permettre d’étudier l’influence du mode de collecte sur les échantillons testés et sur la possibilité d’y détecter les composés chimiques recherchés (étude en Raman, SERS et FTIR (2D puis 3D)). 

Les poussières modèles seront tout d’abord analysées en micro Reflectance IR au sein de l’IAS. Dans un deuxième temps, les poussières seront analysées en Raman (à différentes longueurs d’onde excitatrices) puis en SERS au Monaris. Les méthodes mises au point seront appliquées aux échantillons modèles fournis par les collègues japonais, ainsi qu’à des météorites déjà connues (et contenant de la matière organique), type météorite de Paris. Une séquence analytique, du moins invasif au plus invasif sera proposée.

Nous cherchons à développer une méthodologie de caractérisation pour d'autres bases nucléiques non canoniques (2,6 aminopurine par ex…,) ainsi que pour la valine, l’alanine, l’histidine, la phénylalanine, le tryptophane et la tyrosine, des acides aminés pouvant aussi être inclus dans des peptides. Ces molécules seront incluses dans les matrices inorganiques développées en laboratoire. La nature de l’interaction molécule organique/surface inorganique sera étudiée au LRS par RMN du solide en utilisant des molécules marquées isotopiquement.

Aline Percot, Emilie-Laure Zins, Amélie Al Araji, Anh-Tu Ngo, Jacques Vergne, Makoto Tabata, Akihiko Yamagishi and Marie-Christine Maurel (2019). Detection of Biological Bricks in Space. The Case of Adenine in Silica Aerogel. Life, 9, 82; doi:10.3390/life9040082.

Percot, A., Maurel, M-C., Lambert, J-F., Zins, E-L (2024). New insights into the Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) response of adenine using chemometrics.  Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy. https://doi.org/10.1016/j.saa.2024.124177 

Percot, A.; Mahieddine, F.; Yano, H.; Hasegawa, S.; Tabata, M.; Yamagishi, A.; Mita, H.; Paredes-Arriaga, A.; Maurel, M.-C.; Lambert, J.-F.; et al. (2024). Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) for Identifying Traces of Adenine in Organic-Bearing Extraterrestrial Dust Analogs Captured in the Tanpopo Aerogel after Hypervelocity Impacts. Gels,10, (4) 249. https://doi.org/ 10.3390/gels10040249 

Abstract

Organics on spatial dusts from Tanpopo mission

The objective of this work is to set up an analysis protocol, from the least destructive to the most destructive, for the detection of traces of organic molecules in extraterrestrial dust analogues using infrared and Raman spectroscopy and in particular surface exalted Raman spectroscopy (SERS). This method can later be applied to samples from the Japanese space mission Tanpopo, which is exposing aerogel panels on the International Space Station to collect and analyse extraterrestrial and terrestrial particles. In a first part, we will show that it is possible to detect traces of adenine, using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy (SERS) trapped in the aerogel. In a second part, we will prepare dust analogues doped with adenine, to optimize the characterization techniques. Non destructive FTIR and Raman spectroscopies are used to characterize the mineral and organic phase. The presence of traces of adenine was monitored by SERS through its characteristic bands at 730, and 1330 cm-1, after the addition of the silver Creighton colloid. The same analysis protocol is applied to the Paris meteorite to validate the methods. Such a process can be extended in the frame of Tanpopo missions for studying the interplanetary transfer of traces of prebiotic organic compounds of biological interest.