Détecter la vie sur d’autres planètes avec des lasers

Ricar­do Aré­va­lo et ses col­lègues ont mis au point un pro­to­type d’instrument minia­tu­ri­sé qui pour­rait détec­ter et iden­ti­fier des molé­cules orga­niques com­plexes sus­cep­tibles d’indiquer la pré­sence de vie sur d’autres pla­nètes et lunes de notre Sys­tème solaire. Leur ins­tru­ment « Orbi­trap-spec­tro­mé­trie de masse par désorp­tion laser » n’a qu’une frac­tion de la taille et du poids de ses pré­dé­ces­seurs, et pour­rait être uti­li­sé lors de futures mis­sions d’ex­plo­ra­tion spa­tiale telles que le pro­gramme Arte­mis de la NASA et l’Ence­la­dus Orbi­lan­der.

La recherche de la vie ailleurs dans notre Sys­tème solaire est un sujet fon­da­men­tal d’étude. Plu­sieurs mis­sions sont pré­vues pour les décen­nies à venir : par exemple pour explo­rer des corps pla­né­taires tels qu’En­ce­lade (une lune de Saturne), et Euro­pa (un satel­lite de Jupi­ter). Ces lunes pos­sèdent d’im­por­tants réser­voirs d’eau sou­ter­rains qui pour­raient poten­tiel­le­ment abri­ter des formes de vie. Pour les mis­sions ciblant ces corps pla­né­taires, il ne sera pas seule­ment impor­tant de pou­voir détec­ter des molé­cules orga­niques simples, mais aus­si de recon­naître une varié­té de bio­mar­queurs, tels que des pro­téines et des bio­struc­tures com­plexes. Ceux-ci peuvent être pro­duits par dif­fé­rents types de micro-organismes.

Les spec­tro­mètres de masse minia­tu­ri­sés des­ti­nés à l’ex­plo­ra­tion pla­né­taire ne datent pas d’hier et remontent aux années 1970, avec la mis­sion Apol­lo 15. Dans le contexte de la détec­tion de la vie et de l’as­tro­bio­lo­gie, ces ins­tru­ments ont été uti­li­sés pour détec­ter et iden­ti­fier des sub­stances orga­niques vola­tiles pro­ve­nant de sous la sur­face de Mars, dans les panaches d’En­ce­lade et dans l’at­mo­sphère de Titan. Tou­te­fois, à ce jour, aucun spec­tro­mètre de masse déployé n’a encore ana­ly­sé les molé­cules orga­niques com­plexes non vola­tiles telles que les pep­tides et les protéines.

Les molé­cules plus grandes et plus com­plexes sont sus­cep­tibles d’avoir été créées par des sys­tèmes vivants.

La spec­tro­mé­trie de masse par désorp­tion laser (LDMS) pour­rait trou­ver toute sa place ici. Cette tech­nique uti­lise un fais­ceau laser ultra­vio­let foca­li­sé pour désor­ber et ioni­ser les molé­cules orga­niques, et per­met la déter­mi­na­tion de leur com­po­si­tion chi­mique sur la base de leur rap­port masse/charge. L’a­van­tage de cette tech­nique ? La lumière laser peut être foca­li­sée sur un petit point de la sur­face de l’é­chan­tillon, ce qui per­met de carac­té­ri­ser avec pré­ci­sion les grains, les par­ti­cules de pous­sière et d’autres struc­tures à l’é­chelle du micron, et des « cartes chi­miques » peuvent être recueillies en balayant le fais­ceau laser à tra­vers la sur­face de l’é­chan­tillon. La LDMS mini­mise éga­le­ment le contact entre l’ins­tru­ment et l’é­chan­tillon, rédui­sant ain­si le risque de conta­mi­na­tion de l’é­chan­tillon – un pro­blème non-négli­geable en astrobiologie.

Le nou­vel ins­tru­ment de Ricar­do Aré­va­lo et de ses col­lègues com­bine la LDMS avec un ana­ly­seur Orbi­trap, un spec­tro­mètre de masse inven­té dans les années 1990 par un membre de l’é­quipe, Alexan­der Maka­rov (qui tra­vaille aujourd’­hui chez Ther­mo Fisher Scien­ti­fic en Alle­magne). Pen­dant le fonc­tion­ne­ment de l’instrument, les ions désor­bés de l’échantillon sont diri­gés vers cet ana­ly­seur, qui les piège ensuite dans des orbites autour d’une élec­trode. Les mou­ve­ments des ions peuvent être sui­vis et ces infor­ma­tions ana­ly­sées pour déter­mi­ner la masse des ions. Ces don­nées de masse peuvent ensuite être uti­li­sées pour iden­ti­fier les for­mules molé­cu­laires des com­po­sants orga­niques de l’échantillon.

« Notre ins­tru­ment intègre un sys­tème de laser UV pul­sé qui ‘zappe’ effi­ca­ce­ment les maté­riaux et un ana­ly­seur qui sépare les espèces chi­miques pro­ve­nant de l’é­chan­tillon en fonc­tion de leurs masses res­pec­tives. », explique Ricar­do Aré­va­lo. Ensemble, ces deux sous-sys­tèmes per­mettent la détec­tion et, plus impor­tant encore, l’i­den­ti­fi­ca­tion sans ambi­guï­té de molé­cules orga­niques plus grandes et plus com­plexes, qui sont plus sus­cep­tibles d’être d’origine bio­lo­gique. « Il est impor­tant de pou­voir détec­ter des molé­cules plus grandes, explique-t-il, car les com­po­sés orga­niques plus petits comme les acides ami­nés, par exemple, sont des signa­tures plus équi­voques de formes de vie. »

« Les acides ami­nés peuvent être pro­duits de manière abio­tique, ce qui signi­fie qu’ils ne sont pas néces­sai­re­ment une preuve de vie. », détaille Ricar­do Aré­va­lo. « Les météo­rites, dont beau­coup sont rem­plies de ces molé­cules, peuvent s’é­cra­ser sur la sur­face d’une pla­nète ou d’une lune et y appor­ter des sub­stances orga­niques avec elles. Nous savons main­te­nant que les molé­cules plus grandes et plus com­plexes, comme les pro­téines, sont plus sus­cep­tibles d’a­voir été créées par des sys­tèmes vivants ou d’y être asso­ciées. »

Le nou­vel ins­tru­ment com­bine la LDMS et l’Or­bi­trap, deux tech­no­lo­gies bien éta­blies, de manière à mini­mi­ser la masse, le volume et la consom­ma­tion d’éner­gie. En effet, l’ins­tru­ment pèse moins de 8 kg (contre envi­ron 180 kg pour les équi­va­lents en labo­ra­toire) et ne mesure que quelques cen­ti­mètres. Il pos­sède cepen­dant la même capa­ci­té de réso­lu­tion de masse ultra-éle­vée que les sys­tèmes com­mer­ciaux plus grands et peut détec­ter les bio­si­gna­tures de molé­cules à des concen­tra­tions que l’on peut attendre dans le sous-sol d’Eu­ro­pa et d’Encelade.

Ricar­do Aré­va­lo espère envoyer l’ap­pa­reil dans l’es­pace au cours des pro­chaines années et le déployer sur une cible pla­né­taire. Il consi­dère le pro­to­type comme un « pré­cur­seur » pour d’autres ins­tru­ments futurs basés sur la LDMS et l’Or­bi­trap et pense qu’il a le poten­tiel d’a­mé­lio­rer de manière signi­fi­ca­tive la façon dont la géo­chi­mie ou l’as­tro­bio­lo­gie d’une sur­face pla­né­taire est étudiée.

« Notre ins­tru­ment per­met d’ac­cé­der à un large éven­tail de signa­tures phy­siques et chi­miques reflé­tant la vie, notam­ment des stra­ti­fi­ca­tions repré­sen­tant des com­mu­nau­tés micro­biennes fos­si­li­sées ; des miné­raux pro­duits par des com­po­sés bio­lo­giques ; des com­po­sés orga­niques tels que des pro­téines, des nucléo­tides [com­po­sants de l’ADN] et des lipides [consti­tuants des mem­branes cel­lu­laires].

Notre ins­tru­ment per­met d’accéder à un large éven­tail de signa­tures phy­siques et chi­miques reflé­tant la vie. 

« La réa­li­sa­tion de cet ana­ly­seur de masse à laser témoigne de la matu­ri­té de l’ins­tru­ment et montre que la tech­no­lo­gie est prête à explo­rer les envi­ron­ne­ments pla­né­taires extra­ter­restres. Il est suf­fi­sam­ment petit, peu gour­mand en éner­gie et robuste pour être déployé dans des envi­ron­ne­ments tels que ceux d’En­ce­lade et d’Eu­ro­pa et y recher­cher des signes de vie extra­ter­restre. Son déve­lop­pe­ment a néces­si­té des années de col­la­bo­ra­tion inter­na­tio­nale avec nos par­te­naires du Labo­ra­toire de Phy­sique et Chi­mie de l’En­vi­ron­ne­ment et de l’Es­pace à Orléans, en France, et Ther­mo Fisher Scien­ti­fic en Alle­magne, et je suis par­ti­cu­liè­re­ment fier du nombre de cher­cheurs en début de car­rière qui ont contri­bué à cette étude de manière aus­si cen­trale. »

La pro­chaine étape pour son équipe est de com­prendre com­ment le nou­vel ins­tru­ment peut com­plé­ter les capa­ci­tés d’autres ins­tru­ments de pointe, tels que ceux qui fonc­tionnent actuel­le­ment à la sur­face de Mars. « Cela nous aide­ra à conce­voir la suite de charges utiles la plus com­plète et la plus convain­cante pour les futures mis­sions d’as­tro­bio­lo­gie. » atteste Ricar­do Arévalo.

Isabelle Dumé

Réfé­rences :

https://www.nature.com/articles/s41550-022–01866‑x

https://​www​.lie​bert​pub​.com/​d​o​i​/​1​0​.​1​0​8​9​/​a​s​t​.​2​0​2​2​.0138