Étude de la résistance aux conditions spatiales d'une biopuce dédiée à la détection de molécules organiques sur les corps du Système solaire
Résumé
Miniaturized, versatile and sensitive tools, biochips are a new kind of instrument which is very promising to search for life in the Solar System. They can detect a wide range of organic molecules, and also bacteria, with a high degree of specificity and sensitivity. Biochips are actually very used for medical and environmental purposes but instruments based on biochip have not been designed yet for a space mission. To adapt a biochip to the space environment, it is necessary to study carefully the space constraints effects on its components.
This thesis makes part of the BiOMAS (Biochip for Organic Matter Analysis in Space) project, funded by the french space agency (CNES), which aims to develop a biochip dedicated to space. The main objective of the thesis work consists in evaluating the resistance of the biochip components to several space constraints.
First, we have studied the resistance of the biochip slide, i.e. the solid support of the instrument. Several kinds of materials (glass, thermoplastics, elastomer) have been compared, in terms of outgassing behaviour, resistance to organic solvents and thermal and mechanical behaviour, to identify the one which gives the best answers to the specifications we have established. Among tested candidates, the CycloOlefin Copolymer (COC) appears as the best material to realize a space biochip.
Secondly, resistance studies to space constraints were driven, for the first time, on antibodies (which play the role of recognition probes on biochips). The objective was to determine how they react to thermal cycles and particles irradiations. We have developed a powerful simulation tool, based on the Geant 4 tool, which allowed us to determine particles kinds and energy ranges relevant for irradiation experiments. Two irradiation series were performed on the AIFIRA facility at CENBG in Bordeaux. We have demonstrated the good resistance of antibodies when submitted to low energy neutrons.
A multidisciplinary approach based on complementary collaborations between planetary scientists, biochemists, nuclear physicians and material experts allowed us to obtain important results for the forthcoming creation of an efficient and reliable space biochip.
This thesis makes part of the BiOMAS (Biochip for Organic Matter Analysis in Space) project, funded by the french space agency (CNES), which aims to develop a biochip dedicated to space. The main objective of the thesis work consists in evaluating the resistance of the biochip components to several space constraints.
First, we have studied the resistance of the biochip slide, i.e. the solid support of the instrument. Several kinds of materials (glass, thermoplastics, elastomer) have been compared, in terms of outgassing behaviour, resistance to organic solvents and thermal and mechanical behaviour, to identify the one which gives the best answers to the specifications we have established. Among tested candidates, the CycloOlefin Copolymer (COC) appears as the best material to realize a space biochip.
Secondly, resistance studies to space constraints were driven, for the first time, on antibodies (which play the role of recognition probes on biochips). The objective was to determine how they react to thermal cycles and particles irradiations. We have developed a powerful simulation tool, based on the Geant 4 tool, which allowed us to determine particles kinds and energy ranges relevant for irradiation experiments. Two irradiation series were performed on the AIFIRA facility at CENBG in Bordeaux. We have demonstrated the good resistance of antibodies when submitted to low energy neutrons.
A multidisciplinary approach based on complementary collaborations between planetary scientists, biochemists, nuclear physicians and material experts allowed us to obtain important results for the forthcoming creation of an efficient and reliable space biochip.
Outils miniaturisés, polyvalents et sensibles, les biopuces constituent un type d'instrument très prometteur pour la recherche de vie dans le Système solaire. Elles peuvent en effet détecter une grande variété de molécules organiques, ainsi que des bactéries, avec un haut degré de spécificité et de sensibilité. Les biopuces sont actuellement très usitées dans les domaines médical et environnemental, mais aucun instrument à base de biopuce n'a encore été conçu dans le cadre d'une mission spatiale. Pour adapter un tel instrument à ce nouvel environnement, il est nécessaire d'effectuer une étude approfondie de l'impact des contraintes spatiales sur l'ensemble de ses composants.
Cette thèse s'insère dans le projet BiOMAS (Biochip for Organic Matter Analysis in Space), financé par le CNES, qui vise à développer une biopuce dédiée au spatial. Le principal objectif de la thèse est d'évaluer la résistance des composants de cette biopuce face aux diverses contraintes spatiales.
Dans un premier temps, nous avons étudié la résistance de la lame de la biopuce, c'est-à-dire le support solide de l'instrument. Plusieurs types de matériaux (verre, thermoplatiques, élastomère) ont été comparés en termes de dégazage, résistance aux solvants organiques et comportement thermique et mécanique, afin d'identifier celui qui répond le mieux au cahier des charges que nous avons établi. Parmi les différents candidats testés, le CycloOléfine Copolymère (COC) s'impose comme le meilleur matériau pour la réalisation d'une biopuce spatiale.
Dans un second temps, des études de résistance aux contraintes spatiales ont été menées pour la première fois sur des anticorps (qui servent de sondes de reconnaissance dans les biopuces). L'objectif est de déterminer l'évolution de leur comportement lors de cycles thermiques et sous divers types d'irradiations. Nous avons mis en place un outil de simulation performant, sur la base de l'outil Geant 4 du CERN, qui nous a permis de déterminer le type de particules ainsi que les gammes d'énergies pertinentes pour les expériences d'irradiation. Deux campagnes d'irradiation ont été menées sur la plateforme AIFIRA du CENBG à Bordeaux. Nous avons notamment démontré la bonne résistance des anticorps face à des flux de neutrons de faibles énergies.
Ce travail de thèse, fortement pluridisciplinaire, a nécessité la mise en place de nombreuses collaborations complémentaires entre des planétologues, des biochimistes, des physiciens nucléaires et des experts en matériaux. Les résultats que nous avons obtenus sont d'une importance capitale pour la réalisation d'une biopuce spatiale opérationnelle et fiable.
Cette thèse s'insère dans le projet BiOMAS (Biochip for Organic Matter Analysis in Space), financé par le CNES, qui vise à développer une biopuce dédiée au spatial. Le principal objectif de la thèse est d'évaluer la résistance des composants de cette biopuce face aux diverses contraintes spatiales.
Dans un premier temps, nous avons étudié la résistance de la lame de la biopuce, c'est-à-dire le support solide de l'instrument. Plusieurs types de matériaux (verre, thermoplatiques, élastomère) ont été comparés en termes de dégazage, résistance aux solvants organiques et comportement thermique et mécanique, afin d'identifier celui qui répond le mieux au cahier des charges que nous avons établi. Parmi les différents candidats testés, le CycloOléfine Copolymère (COC) s'impose comme le meilleur matériau pour la réalisation d'une biopuce spatiale.
Dans un second temps, des études de résistance aux contraintes spatiales ont été menées pour la première fois sur des anticorps (qui servent de sondes de reconnaissance dans les biopuces). L'objectif est de déterminer l'évolution de leur comportement lors de cycles thermiques et sous divers types d'irradiations. Nous avons mis en place un outil de simulation performant, sur la base de l'outil Geant 4 du CERN, qui nous a permis de déterminer le type de particules ainsi que les gammes d'énergies pertinentes pour les expériences d'irradiation. Deux campagnes d'irradiation ont été menées sur la plateforme AIFIRA du CENBG à Bordeaux. Nous avons notamment démontré la bonne résistance des anticorps face à des flux de neutrons de faibles énergies.
Ce travail de thèse, fortement pluridisciplinaire, a nécessité la mise en place de nombreuses collaborations complémentaires entre des planétologues, des biochimistes, des physiciens nucléaires et des experts en matériaux. Les résultats que nous avons obtenus sont d'une importance capitale pour la réalisation d'une biopuce spatiale opérationnelle et fiable.