De l’impact à long terme des radiations ionisantes sur les systèmes vivants

The long term impact of ionising radiation on living systems

• Auteur / Autrice : Nathanael Lampe
• Direction : Vincent Breton, David Sarramia, Sébastien Incerti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 05/05/2017
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Physique de Clermont
• Jury : Président / Présidente : Fabrice Piquemal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Breton, David Sarramia, Sébastien Incerti, Marie Dutreix, Aleksandra Ristic-Fira
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marie Davídková, Marie-Claude Bordage

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rayonnement de fond

Mots clés libres

Faibles doses de radiations

Radiation naturelle

Évolvabilité

Dommage ADN

Simulation

Geant4

Low dose radiation

Natural radiation

Evolvability

DNA damage

Simulation

Geant4

Résumé

La vie sur Terre s’est adaptée à un environnement où il y a un faible et persistent bruit de fond radiatif qui interagit avec les cellules. Loin des effets clairement nocifs des radiations à haute dose, il est difficile d’évaluer et de comprendre les impacts des faibles doses de la radioactivité naturelle sur les systèmes vivants. Nous avons tenté d’étudier si le bruit de fond radiatif est un facteur important dans l’évolution, en menant des expériences évolutives identiques avec Escherichia coli au Laboratoire de Physique Corpusculaire de Clermont-Ferrand, et au Laboratoire Souterrain de Modane. Malgré une différence d’un facteur 7,3 entre les taux d’interaction des rayonnements ionisants avec les cellules dans les deux laboratoires, aucune différence significative n’a pu être trouvée dans le fitness compétitif des populations cellulaires évoluées dans chaque laboratoire. Par simulation, nous avons montré que le taux d’interaction entre le bruit de fond radiatif et E. coli est cent fois plus faible que le taux de mutations d’origine endémique, ce qui renforce l’hypothèse que les radiations naturelles ont peu d’effet sur l’évolution. Dans le cadre du projet Geant4-DNA, nous avons développé une application complète de simulation mécanistique des dommages radio-induits à l’ADN, afin d’explorer davantage cette hypothèse. Avec cette application, on a irradié un modèle du génome d’E. coli, montrant que pour l’irradiation par des électrons d’énergies > 10 keV, le rendement des cassures double brin est de 0,006 – 0,010 CDB Gy-1 Mbp-1, selon le modèle de piégeage des radicaux chimiques. Ce résultat est en accord avec des données expérimentales, et souligne plus encore que les radiations ionisantes d’origine naturelle n’ont qu’une contribution mineure aux mutations responsables de l’évolution.

All life on earth has adapted to an environment where there is a small, persistent, radiation background interacting with cells. Unlike evaluating the clearly harmful effects of high radiation doses, understanding the effects of this low persistent radiation dose on living systems is incredibly difficult. We have attempted to study whether background radiation is an important factor in evolution by conducting identical evolution experiments with Escherichia coli in the Clermont-Ferrand Particle Physics Laboratory and the Modane Underground Laboratory. Despite a 7.3 fold difference in the rate of interactions between the radiation background and cells between the two environments, no significant difference was found in the competitive fitness of the cell populations grown at each location. Using simulations, we showed that the rate at which ionising radiation interacts with cells is one hundred times less frequent than E. coli’s mutation rate in our experimental conditions, supporting the contention that natural radiation has no strong evolutionary effect. To further support this conclusion, we developed a mechanistic simulation for DNA damage as part of the Geant4-DNA project. Using this application, we irradiated a model of an E. coli genome, showing that for electron irradiation > 10 keV, the double strand break yield can be reasonably estimated to be between 0.006 – 0.010 DSB Gy-1 Mbp-1, depending upon the modelling of radical scavenging. This is in agreement with experimental data, further highlighting the small role natural ionising radation plays as a cause of mutations.