Des signes de vie plus sûrs

Lorsqu’ils ont atteint la surface de Mars en 1976, les deux atterrisseurs Viking de la NASA se sont posés avec un léger bruit sourd. Mesurant 7 pieds de haut, 10 pieds de long et pesant environ 1 300 livres, ces engins spatiaux – la première mission américaine à réussir à se poser sur la surface martienne – ressemblaient à des punaises de pilules envahies.

Ce qui s’étendait devant eux était un terrain vague rouillé et poussiéreux jonché de rochers sous un ciel beige-orangé, bien loin des métropoles extraterrestres animées que les écrivains et les films de science-fiction avaient dépeintes. Les scientifiques ne s’attendaient pas à trouver des villes extraterrestres, mais ils pensaient que des colonies d’extraterrestres microbiens pouvaient se cacher dans le sol martien. Les atterrisseurs ont été les premiers à rechercher la vie extraterrestre.

Les deux atterrisseurs étaient équipés de trois instruments automatisés de détection de la vie, chacun incubant un échantillon de la surface, étudiant l’air au-dessus à la recherche de molécules telles que le dioxyde de carbone, qui pourrait indiquer une photosynthèse, ou le méthane, que les microbes pourraient produire en métabolisant les nutriments fournis par les atterrisseurs.

L’un des instruments a reçu un signal positif. L’expérience de libération étiquetée, qui suit le carbone radioactif lorsqu’il passe du sucre digestible au dioxyde de carbone digéré, a vu le signe révélateur de microbes vivants et en train de métaboliser.

Les deux autres expériences, cependant, n’ont jamais rien vu.

Légende de l’image : Lorsque les atterrisseurs Viking de la NASA ont imagé la surface de Mars, ils ont montré une terre stérile de roches et de poussière.

Crédit image : NASA/JPL/Johns Hopkins APL

Cette peut-être-découverte a déclenché un débat qui persiste encore aujourd’hui, les partisans insistant (et de nouvelles recherches suggérant) que seule une chose vivante aurait pu émettre ce signal positif.

Mais comme beaucoup dans la communauté scientifique, Kate Craft, une scientifique planétaire au Johns Hopkins Applied Physics Laboratory, reste sceptique. « C’était une bonne expérience, mais elle était très limitée dans ce qu’elle était capable de détecter », a-t-elle déclaré.

Pour commencer, les expériences Viking supposaient que les microbes sur Mars mangeraient les nutriments que nous leur fournissions, ce qui n’est pas nécessairement vrai. Et même si c’était le cas, il est toujours difficile de croire une seule ligne de preuve. « Nous voulons toujours avoir des résultats positifs sur plusieurs signatures », a-t-elle déclaré.

Plus problématique, cependant, est que les scientifiques de l’époque ne savaient pas que la surface de Mars était couverte de sels de perchlorate, des minéraux contenant du chlore et de l’oxygène dont les expériences montrent qu’ils peuvent détruire les molécules organiques et les microbes lorsqu’ils sont chauffés – produisant des gaz de chlore, que les atterrisseurs Viking ont en fait détectés. Personne ne savait que les sels étaient là jusqu’en 2008, lorsque l’atterrisseur Phoenix de la NASA les a découverts.

Pour Craft et son collègue Chris Bradburne, biologiste et scientifique principal à l’APL, les missions Viking ont souligné le défi monstrueux auquel les scientifiques sont confrontés pour affirmer définitivement que nous avons trouvé la vie sur un autre monde. Le type, la certitude et la reproductibilité de cette preuve sont tous importants. Depuis les atterrisseurs Viking, de nombreux engins spatiaux sont retournés sur Mars à la recherche de molécules organiques, qui contiennent principalement du carbone, de l’hydrogène et de l’oxygène. Elles sont communément associées à la vie mais ne sont pas des indicateurs sûrs de celle-ci.

Mais la révélation sur les sels sur Mars a mis en évidence un point plus saillant, bien que peu inspirant : Les chances de détecter des signes de vie avec même la meilleure technologie sont probablement minces si vous ne purifiez pas d’abord vos échantillons.

Les chercheurs ont fait une fixation sur le côté détection de l’équation, mais la préparation de l’échantillon – une étape antérieure dans le flux de travail – a été le plus souvent ignorée. Les sels sont particulièrement inquiétants, car ils peuvent rendre l’analyse difficile, et les cibles principales des futures missions de détection de la vie sont des endroits avec des océans d’eau liquide salée sous leur surface – des mondes comme Europa, la lune de Jupiter, et Encelade, la lune de Saturne.

Depuis 2013, Bradburne, Craft et une équipe de chercheurs de l’APL ont développé de nouveaux systèmes microfluidiques de la taille d’une paume de main pour les futurs vaisseaux spatiaux afin de relever ce défi. Ils peuvent purifier et isoler des molécules qui pourraient être des indicateurs forts de la vie – acides aminés, protéines, ARN, ADN.

« C’est beaucoup plus sexy de penser au détecteur », a déclaré Bradburne. « Mais si vous ne pouvez pas préparer vos échantillons et les optimiser pour que votre capteur puisse détecter ce que vous recherchez, ils ne vous servent à rien. »

Mais l’équipe pousse encore plus loin l’un de ses instruments : un séquenceur pour l’espace. Il ne se contenterait pas de préparer et de concentrer des molécules à longue chaîne comme l’ADN et l’ARN, mais pomperait l’intégralité de leur code génétique directement à destination. De plus, il détecterait ces molécules, qu’elles ressemblent ou non à l’ADN et à l’ARN terrestres, offrant ainsi la possibilité de détecter une vie ayant une origine entièrement distincte.

« Cela pourrait vous donner un signal vraiment concluant », a déclaré Bradburne. Vous devez juste trouver comment le construire.

Les machines de nettoyage

Craft et Bradburne avaient envisagé de créer une puce de préparation d’échantillons pour l’ADN et l’ARN dès 2014, en s’appuyant sur le travail que Bradburne avait commencé quelques années plus tôt.

En ce qui concerne les indicateurs de vie, l’ADN et l’ARN se situent relativement haut sur la liste, puisque les deux forment l’ossature à partir de laquelle toute la vie terrestre a évolué. Mais c’est pour cette raison précise que de nombreux scientifiques étaient sceptiques quant à la recherche d’ADN et d’ARN ailleurs dans le système solaire.

Pour que le matériel génétique transmette des informations entre les générations, ont-ils fait valoir, les organismes auraient déjà dû évoluer dans une certaine mesure ; une possibilité assez improbable, selon Craft. En tant que tels, de nombreux scientifiques ont considéré l’ADN et l’ARN comme des biosignatures moins importantes et ont plutôt donné la priorité aux autres éléments constitutifs de la vie, tels que les acides aminés – les constituants de toutes les protéines et enzymes. « La vie n’aurait pas besoin d’être ‘aussi évoluée’ pour ces signatures », a expliqué Craft.

L’équipe a donc changé de vitesse pour fabriquer un système miniature de préparation d’échantillons pour les acides aminés. Jen Skerritt, chimiste à l’APL, Tess Van Volkenburg, ingénieure chimiste, et plus tard Korine Ohiri, experte en microfluidique, ont rejoint l’équipe. Depuis 2018, ils ont progressivement perfectionné la conception.

Avec environ 4 pouces de large, 4 pouces de long et 2 pouces de haut, le système peut facilement tenir dans la paume de votre main. Pourtant, il est équipé de toutes les pompes et valves nécessaires pour faire passer un échantillon. La région active du dernier modèle est remplie de minuscules billes qui attirent les acides aminés dans les solutions acides, tandis que les sels et autres saletés continuent de s’écouler de l’autre côté dans un dépôt de déchets. Après le passage de l’échantillon, les acides aminés sont retirés des perles avec une solution basique et expédiés vers n’importe quel détecteur fixé à la puce.

Concevoir un système de préparation pour l’espace n’a pas été facile, a déclaré Ohiri. La quantité d’énergie disponible est une fraction de ce qui peut être utilisé dans le laboratoire, et les matériaux doivent résister à des températures et des radiations potentiellement extrêmes. L’équipe fabrique actuellement le système de purification des acides aminés à partir de matériaux de prototypage rapide courants, tels que les résines haute résolution utilisées dans l’impression 3D, mais faire en sorte que le matériau puisse être utilisé dans l’espace tout en maintenant ses performances reste un défi, a déclaré Ohiri. « Mais c’est ce qui est si passionnant dans ce projet : Il y a tellement d’aspects qui sont vraiment à la pointe. »

Légende de l’image : Comment isoler et séquencer l’ADN dans l’espace : Commencez par une phase de perturbation, en utilisant des ondes sonores ou autres pour pulser des perles magnétiquement attractives afin qu’elles ouvrent les spores ou les cellules et laissent sortir l’ADN. L’ADN se fixe sur les billes, qui sont ensuite tirées vers un aimant pendant l’étape de purification. Les billes sont ensuite lavées pour éliminer l’ADN, qui est ensuite envoyé vers un séquenceur nanopore. Le séquenceur lit alors la chaîne de molécules qui composent l’ADN – C, A, T et G. Cette configuration devrait théoriquement fonctionner pour toute molécule à longue chaîne comme l’ADN, y compris l’ARN, les protéines ou quelque chose d’entièrement nouveau.

Crédit image : Johns Hopkins APL

L’inconvénient des acides aminés, cependant, est qu’ils sont partout – des météorites aux comètes en passant par les nuages interstellaires. Certains indices peuvent indiquer s’ils sont biologiques ou non. Les acides aminés se présentent sous deux formes qui sont des images miroir l’une de l’autre : l’une est considérée comme gauchère, l’autre comme droitière. Par un hasard de l’évolution, toute la vie sur Terre utilise uniquement les acides aminés gauches. Donc, par extension, si un type apparaît plus que l’autre dans un échantillon d’un autre monde, cela pourrait être un signe de vie.

Bradburne, cependant, ne l’achète pas complètement. « Comment savez-vous qu’il ne s’agit pas simplement d’une contamination ? », a-t-il demandé, comme celle d’un microbe auto-stoppeur qui aurait en quelque sorte échappé au processus de nettoyage en profondeur auquel tous les vaisseaux spatiaux sont soumis avant leur lancement. Détecter la vie dans l’univers, dit-il, revient non seulement à détecter les molécules que vous recherchez, mais aussi à minimiser les chances d’obtenir un faux positif et à vous assurer que vos expériences sont reproductibles.

L’ADN et l’ARN ne sont pas nécessairement meilleurs pour aborder ces problèmes, à moins que vous puissiez les séquencer. Et c’est pourquoi, lorsque les séquenceurs nanopore ont été inventés, l’équipe a vu une nouvelle opportunité.

La route vers le séquençage

Les séquenceurs nanopore sont de petites machines de la taille d’une clé USB qui peuvent prendre un brin d’ADN ou d’ARN et lire la série de blocs de construction moléculaires dont il est constitué. Le brin se déplace dans un pore de quelques milliardièmes de pouce de large, traversé par un champ électrique. Chaque nucléotide perturbe de manière unique ce champ électrique lorsqu’il se déplace à travers le pore. Et un ordinateur peut interpréter cette perturbation et dire exactement quel nucléotide vient de passer.

En plus d’avoir la taille idéale pour un vaisseau spatial, a déclaré Bradburne, les séquenceurs nanopores devraient, en théorie, être capables d’interpréter tout type de molécule à longue chaîne qui passe à travers – ADN, ARN, protéines, ou un XNA inconnu. Mais ils réduisent également les chances qu’un signal ne soit pas simplement un microbe clandestin. Les organismes terrestres possèdent des chaînes reconnaissables, comme celles qui codent pour des enzymes spécifiques et d’autres protéines communes aux êtres vivants sur Terre. Ainsi, si les séquences semblent correspondre à celles que l’on trouve fréquemment sur Terre, il s’agit probablement d’un faux positif.

« Les retombées scientifiques seraient tout simplement incroyables », a déclaré Bradburne.

Il existe cependant une multitude de raisons pour lesquelles les séquenceurs nanopores actuels ne sont pas prêts pour l’espace. D’abord, ils sont faits de matériaux qui ne peuvent pas résister à des années de températures sous le point de congélation et de radiations ; même sur Terre, ils ne durent qu’environ six mois. Plus problématique encore, ils utilisent des protéines de bactéries staphylocoques pour le pore, ce qui soulève des inquiétudes quant à l’introduction accidentelle de produits biologiques provenant de la Terre.

Ces défis ont forcé l’équipe à commencer plutôt à développer un séquenceur novateur et un système de préparation d’échantillons qui l’accompagne.

« L’idée est que, finalement, nous aurons un instrument complet pour préparer l’échantillon comme nous le voulons et ensuite l’analyser », a déclaré Craft.

Le composant de préparation d’échantillons a fait des progrès importants au cours de la dernière année. L’équipe essaie les ondes sonores et d’autres méthodes perturbatrices pour briser les cellules et les spores qui peuvent abriter le matériel génétique et les billes magnétiques pour ensuite retenir les molécules à longue chaîne.

Mais la conception du séquenceur nanopore a été plus difficile. Une plateforme synthétique dans laquelle sont pressés des nanopores est la plus idéale, mais la façon de contrôler la taille des pores et de les fabriquer de manière à ce qu’ils ralentissent la molécule pour que l’ordinateur puisse enregistrer chaque molécule de la chaîne à son passage reste incertaine. Un collaborateur canadien a même suggéré de fabriquer les pores lorsqu’ils atteignent leur destination afin d’atténuer les problèmes de durée de conservation. « Je ne suis pas sûr de la façon dont nous ferions cela, mais rien n’est hors de la table pour le moment », a déclaré Bradburne.

Malgré les obstacles, l’équipe n’a pas perdu de temps pour parler de son outil avec les chercheurs qui développent des missions conceptuelles. « Nous en parlons dès que nous le pouvons », a déclaré Craft, principalement pour faire savoir que c’est un instrument viable à venir.

Et un concept récent, une mission vers la lune de Saturne Encelade, comprend quelque chose de très similaire.

Une autre recherche de la vie

Avec ses 314 miles de large – environ la largeur de la Pennsylvanie – et en moyenne neuf fois plus éloignée du Soleil que la Terre, Encelade aurait dû n’être qu’une boule de glace gelée.

Mais en 2006, la mission Cassini de la NASA a révélé une découverte alléchante : un panache de vapeur d’eau et de glace jaillissant de quatre « rayures de tigre » caverneuses au pôle sud d’Encelade. Diverses mesures indiquent que les failles sont directement liées à un océan d’eau liquide global situé sous la surface. Cet océan pourrait interagir avec le noyau rocheux de la lune d’une manière similaire aux cheminées hydrothermales des profondeurs de la Terre, où près de 600 espèces animales vivent et prospèrent.

Crédit image : Johns Hopkins APL

En passant dans les panaches, Cassini a trouvé des molécules telles que le méthane, le dioxyde de carbone et l’ammoniac – des fragments chimiques supposés de molécules plus complexes avec quatre des six éléments clés de la vie : carbone, hydrogène, azote et oxygène.

« Encelade est un monde océanique où nous avons suffisamment de données pour aller au-delà de la question de savoir s’il est habitable », a déclaré Shannon MacKenzie, un scientifique planétaire à l’APL. « Sur Encelade, nous sommes prêts à passer à l’étape suivante et à rechercher des signes de vie. »

MacKenzie a récemment dirigé le développement d’un concept de mission qui ferait exactement cela. Il s’agit de l’Orbilander d’Encelade, qui fonctionnerait comme son nom l’indique : en partie orbiteur, en partie atterrisseur. Six instruments effectueraient des mesures sur le matériel recueilli dans le panache d’Encelade pour rechercher plusieurs biosignatures potentielles – acides aminés gauches et droits, graisses et autres hydrocarbures à longue chaîne, molécules capables de stocker des informations génétiques, et même des structures de type cellulaire.

En tant que concept de mission, l’étude Orbilander n’identifie pas d’implémentations d’instruments spécifiques comme ceux que l’équipe de Craft et Bradburne est en train de produire, mais elle inclut leurs idées conceptuelles.

« Il y aura toujours un certain degré d’incertitude dans les mesures de recherche de la vie », a déclaré MacKenzie. « C’est pourquoi il est si important d’avoir une bonne étape de préparation de l’échantillon, qui aide à minimiser la limite de détection, et de disposer d’instruments comme le séquenceur nanopore, qui peut offrir à la fois l’identification et la caractérisation ». »

Avec la chance d’échantillonner une lune océanique, l’équipe de Craft et Bradburne tente de déterminer la quantité d’eau nécessaire pour détecter ces biosignatures. Et bien sûr, ce n’est pas facile. « Je pensais que nous pourrions aller sur ces mondes océaniques, y plonger nos orteils et être en mesure de voir si la vie s’y trouve ou non », a déclaré Craft. Mais en lisant les recherches des océanographes, elle a appris qu’ils doivent filtrer des litres d’eau pour rechercher des traces de vie, même ici sur Terre. « C’est tout simplement incroyable. À cause de toute cette eau dehors, elle est tellement diluée », a-t-elle dit.

Comment recueille-t-on de tels volumes d’eau et comment les concentre-t-on sur un autre monde ? Comment les traiter dans une micropuce et voir s’il y a des molécules importantes ?

« Il y a juste un tas de défis qui n’ont pas encore été relevés », a déclaré Craft. Mais l’équipe continue de travailler. Le mois dernier, elle a réalisé quelques expériences en faisant passer par sa puce à échantillons divers volumes d’échantillons d’acides aminés dilués et dopés dans l’eau de mer. Les premiers résultats sont prometteurs, le système capturant tous les acides aminés à une gamme d’efficacités qui seront rapportées dans un prochain article scientifique.

Si elle passe un jour du concept à la rampe de lancement, Enceladus Orbilander ne décollera pas avant le milieu des années 2030, ce qui donnera à l’équipe de Craft et Bradburne du temps pour développer davantage ses outils. Mais même si la technologie n’est pas prête pour cette mission, Ohiri, comme d’autres membres de l’équipe, reste optimiste et pense qu’elle volera un jour.

« Mon espoir est qu’au moment où la technologie sera suffisamment mature, il y aura une mission sur les livres, et nous serons prêts pour cela », a-t-elle déclaré.

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