Caractérisation de l'influence des radiations spatiales et des saumures complexes sur la préservation de l'enveloppe cellulaire de Halobacterium salinarum en tant que biosignature de la vie ancienne

Characterizing the influence of space radiation and complex brines on the preservation of the cell envelope of Halobacterium salinarum as a biosignature of ancient life

• Auteur / Autrice : Lucas Bourmancé
• Direction : Adrienne Kish
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie moléculaire
• Date : Soutenance le 29/01/2025
• Etablissement(s) : Paris, Muséum national d'histoire naturelle
• Ecole(s) doctorale(s) : DIVONA (DIVersités, Origines, NAtures - ED227 MNHN-SU) (Paris ; 1995-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Molécules de communication et adaptation des microorganismes (Paris ; 2011-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Adrienne Kish, Samuel Marre, Hervé Cottin, Ruth-Sophie Taubner, Mark Fox-Powell, Séverine Zirah
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Samuel Marre, Hervé Cottin
• DOI : 10.70675/7aac7393z3ee6z4383zb6a7z207e4a43085d

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microorganismes halophiles

Halobacterium

Mots clés libres

Biosignature

Chaotrope

Photochimie

Saumures

Halophiles

Radiations spatiales

Biosignature

Chaotropicity

Photochemistry

Brines

Halophiles

Space radiation

Résumé

Les environnements hypersalins, omniprésents dans le système solaire (Terre, Mars, Encelade, Europe), possèdent des propriétés uniques de préservation. Ces environnements, sous l'effet de l'évaporation, favorisent la formation d'évaporites et de cristaux d'halite (NaCl). Des cellules d'archées halophiles telles que Halobacterium ont été isolées et préservées dans des inclusions fluides de cristaux d'halite terrestre. Ces inclusions pourraient ainsi constituer des réservoirs pour des biosignatures anciennes. L'enveloppe cellulaire des haloarchées représente une cible prometteuse en tant que biosignature grâce à la conservation des lipides. Bien que plus fragiles, les protéines membranaires sont également d'intérêt, en raison de leur localisation dans la membrane lipidique et de l'environnement protecteur que pourraient offrir les saumures. Ces potentielles biosignatures haloarchéennes sont aussi d'un grand intérêt exobiologique, car des traces de vie pourraient être préservées dans les cristaux d'halite anciens trouvés sur Terre et potentiellement dans ceux identifiés sur Mars, si la vie y a existé. De plus, les cristaux de sel pourraient protéger les biosignatures des radiations en agissant tels des boucliers.Ce projet a pour but de comprendre comment les fragments d'enveloppe cellulaire de Hbt. salinarum, produits par lyse cellulaire, réagissent à différentes compositions d'inclusions fluides et à une irradiation UV (>185 nm) à l'aide d'un simulateur solaire. Les compositions des inclusions fluides utilisées dans cette étude ont été sélectionnées pour simuler les environnements de la Terre primitive, la Terre moderne et Mars. Les environnements hypersalins sont rarement compatibles avec les méthodes biochimiques traditionnelles. C'est pourquoi diverses techniques ont été optimisées, incluant l'extraction des enveloppes cellulaires et des protéines membranaires, l'exposition aux UV et le développement de méthodes adaptées à l'analyse structurale des protéines. Les effets chaotropiques et kosmotropiques des saumures sur la stabilité des protéines et des lipides de l'enveloppe cellulaire ont été évalués à l'aide de la nano-Differential Scanning Fluorometry (nano-DSF), de la Differential Scanning Calorimetry (DSC) et de l'Analytical Ultracentrifugation (AUC). Une approche de spectrométrie de masse label-free a permis d'évaluer les modifications chimiques des protéines membranaires (Orbitrap nano-LCMS/MS) et des lipides (GC-MS) après exposition aux différents traitements de saumure et de radiation. De plus, la photochimie des saumures elles-mêmes ont été étudiées via la production d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) à l'aide d'une sonde fluorescente. Enfin, l'impact des radiations cosmiques sur la préservation de l'enveloppe cellulaire a été évalué à l'aide d'un accélérateur de protons et d'un spectromètre RAMAN, in-situ et ex-situ, utilisant les caroténoïdes comme biomarqueurs.Les résultats montrent que certaines compositions ioniques de saumure favorisent la préservation des biosignatures des enveloppes cellulaires contre l'irradiation UV, grâce à une interaction entre photochimie et effets chaotropiques. Cette étude illustre la complexité de la préservation des biosignatures dans les saumures et souligne la nécessité d'une approche au cas par cas, chaque saumure ayant des propriétés distinctes nécessitant une analyse spécifique. Ces futures investigations seront essentielles pour identifier les sites présentant le plus grand potentiel de préservation des biomolécules. De plus, ce travail a permis de développer de nouvelles méthodes compatibles avec les environnements hypersalins, nécessaires pour les études analogues sur Terre et pour l'analyse future d'échantillons ramenés de l'espace. Enfin, les résultats de ces expériences terrestres serviront de point de comparaison pour la mission Exocube, au cours de laquelle des échantillons d'enveloppes cellulaires seront exposés à l'extérieur de la Station Spatiale Internationale.

High salt environments are ubiquitous in the solar system (Earth, Mars, Enceladus, Europa). and possess unique preservation properties. Under evaporation processes, these environments lead to the formation of evaporites and halite crystals (NaCl). Cells of halophilic (“salt-loving”) archaea including Halobacterium have been isolated preserved in the fluid inclusions of terrestrial halite crystals. Fluid inclusions could thus act as reservoirs for biosignatures of ancient life. The cell envelope of haloarchaea is a particularly promising biosignature target due to the well-documented preservation of lipids. Although more fragile, membrane proteins are also considered potential biosignatures due to their location within the lipid membrane and the hypothesized protective environment provided by brines. The recovery of haloarchaeal biosignatures is also of great exobiological interest as ancient traces of life may be preserved within the ancient halite crystals found on Earth and potentially in those identified on Mars, assuming life once existed there. Additionally, salt crystals represent a potential shelter for potential biosignatures preservation as they can serve as a partial radiation shield.Therefore, this project aimed at understanding how Hbt. salinarum cell envelope fragments, produced by cell lysis, respond to different fluid inclusion compositions and additionally to UV irradiation (>185 nm) using a ground-based solar simulator. Fluid inclusions compositions were selected to represent Early Earth and Mars environments as well as modern Earth. High salt conditions are rarely compatible with traditional biochemistry methods. For this reason, the project started with an extensive optimization to render these methods suitable for the analysis of evaporite samples. This included optimization of cell envelopes and membrane protein extractions, UV radiation exposure and investigating adequate methods for structural analysis. Based on the protocols developed, the chaotropic/kosmotropic effects of the brines on the structural stability of proteins and lipids of the cell envelope were determined using nano-Differential Scanning Fluorometry (nano-DSF), Differential Scanning Calorimetry (DSC) and Analytical Ultracentrifugation (AUC). A label-free mass spectrometry approach was employed to assess chemical modifications of membrane proteins (Orbitrap nano-LCMS/MS) and lipids (GC-MS) after exposure to the different brine and radiation treatments. Additionally, the photochemistry of the brine itself was investigated by looking at reactive oxygen species production using a fluorescent probe. Finally, the effect of cosmic radiation on cell envelope preservation were evaluated by using a proton particle accelerator and in-situ and ex-situ RAMAN spectrometer, with carotenoids as biomarkers.This project has shown that certain brine ionic compositions are more prone to support cell envelope biosignature preservation against UV irradiation due to a specific interplay between photochemistry and chaotropic effects. This study underscores the complexity of biosignature preservation within brines, highlighting the need for a case-by-case approach, as each brine's distinct properties require individual analysis. These future investigations will be critical in identifying sites with the highest potential for harboring preserved biomolecules. Furthermore, this work allowed for the determination of various new methods for compatibility with high salts environment required for analogue studies on Earth but also for future analysis of space returned samples. The results of these ground-based experiments from the basis for comparison to real space irradiation as cell envelope samples will be exposed outside the International Space Station as part of the Exocube space experiment.