Une technique électrique d'Osaka pourrait aider à identifier des signes de vie dans l'espace

Le problème de l'instrument dans la recherche de vie

Les astrobiologistes ont passé des décennies à scruter le système solaire et l'univers plus large à la recherche de signes que la biologie existe ailleurs que sur Terre. L'obstacle n'est pas l'ambition mais l'instrumentation. Un détecteur de biosignatures doit être extrêmement sensible, car les traces qu'il traque peuvent ne représenter qu'une poignée de molécules dans un échantillon, et il doit aussi être suffisamment petit et robuste pour survivre à un voyage à bord d'un engin spatial. Concevoir quelque chose qui satisfait ces deux exigences à la fois a été, comme le formulent les chercheurs, un défi d'ingénierie hors du commun. Un groupe de l'université d'Osaka décrit désormais une technique électrique qui pourrait ouvrir une voie. Les résultats doivent être publiés dans Nature Communications.

Les molécules en image miroir comme signature de la biologie

Une grande partie du raisonnement derrière ces travaux repose sur les acides aminés, les briques moléculaires à partir desquelles les protéines sont assemblées. De nombreux acides aminés existent sous deux formes qui sont l'image miroir l'une de l'autre : identiques par leur formule chimique, mais opposées par leur latéralité, ou chiralité. La vie et la chimie non vivante traitent ces deux formes de manière très différente. Les organismes construisent leurs acides aminés presque entièrement sous la forme L, tandis que leurs sucres apparaissent de manière écrasante sous la forme D. Les processus chimiques et physiques abiotiques, en revanche, ne montrent aucune préférence de ce type et génèrent généralement les deux formes en proportions égales. Cette asymétrie — le rapport entre les formes L et D — constitue donc une biosignature prometteuse, et elle fait des acides aminés un objet d'étude naturel pour l'astrobiologie. Si un échantillon provenant d'un autre monde revenait avec un fort biais de latéralité, ce serait un indice significatif que la biologie a été à l'œuvre.

Pourquoi la mesure en masse ne suffit pas

Les instruments conventionnels déterminent la chiralité en analysant de grands groupes de molécules à la fois. Cette approche en masse fonctionne bien dans un laboratoire bien équipé, mais elle pose des difficultés pratiques lorsque l'objectif est un instrument prêt à voler. Il a été suggéré qu'un schéma de détection électrique pourrait contourner plusieurs de ces problèmes d'un seul coup : une telle méthode serait plus simple à mettre en œuvre, moins affectée par les vibrations et exempte des réactifs chimiques que nécessitent les techniques en masse. Ce sont précisément les qualités qui comptent lorsqu'un instrument doit fonctionner loin d'une paillasse de laboratoire.

Des molécules uniques, comptées dans une nanofente

Les avancées en nanotechnologie permettent à l'équipe d'Osaka de détecter électriquement des molécules individuelles d'intérêt biologique plutôt que des populations en masse. Le dispositif fait passer les molécules à travers un espace entre deux nanofils d'or. Lorsqu'une molécule traverse cet espace, elle génère un courant de tunneling électrique, et la forme d'onde de ce courant diffère selon la forme de l'acide aminé qui passe. Parce que ces empreintes électriques sont distinguables, les chercheurs peuvent compter combien de molécules de chaque forme franchissent l'espace — une mesure directe, molécule par molécule, plutôt qu'une lecture moyennée sur un ensemble. L'équipe a également associé la technique de tunneling à nanofente à l'intelligence artificielle, ce qui, selon elle, lui a permis de distinguer les deux formes.

Des échantillons provenant d'un substitut martien

Les échantillons analysés dans l'étude ont été collectés dans le cœur hyperaride du désert d'Atacama, au nord d'Antofagasta, au Chili. Cette région est utilisée comme environnement analogue à Mars : son extrême sécheresse et sa biologie clairsemée en font l'une des approximations terrestres les plus proches des surfaces hostiles que l'on trouve sur la planète rouge. Tester une technique de détection de vie sur du matériel provenant d'un tel milieu est une façon d'évaluer le comportement de la méthode dans des conditions qui ressemblent à ce qu'une mission planétaire pourrait rencontrer. L'image de l'Atacama accompagnant les travaux est créditée à Christopher E. Carr.

Ce qu'un détecteur électrique compact changerait

L'attrait de l'approche réside dans ce qu'elle pourrait permettre si elle arrivait à maturité sous la forme d'un instrument opérationnel. Parmi les avantages décrits :

• Des molécules individuelles, plutôt que de grands ensembles, sont comptées, donnant une lecture directe du rapport L/D qui sert de biosignature potentielle.
• La mesure est électrique, ce qui évite les réactifs chimiques dont dépendent certaines méthodes établies.
• Les lectures électriques sont décrites comme moins sensibles aux vibrations que les techniques en masse, une propriété utile pour du matériel fonctionnant sur un atterrisseur ou un rover.
• L'approche repose sur la fabrication à l'échelle nanométrique, dans laquelle des jonctions de nanofils d'or peuvent être produites sur de petites puces.

Chacune de ces propriétés renvoie au même goulot d'étranglement : la difficulté de réduire une méthode analytique de qualité laboratoire à quelque chose qui puisse être embarqué. Une technique qui repose sur un courant à travers une nanofente plutôt que sur une bouteille de réactif et un banc optique est, en principe, plus facile à miniaturiser.

Un outil émergent, pas une mission achevée

Le résultat d'Osaka constitue une étape dans le développement d'une méthode plutôt qu'une détection de vie. Son importance tient au fait qu'il démontre une voie pour distinguer électriquement les deux formes chirales des acides aminés à une résolution de molécule unique, et que l'approche peut être testée sur des échantillons provenant d'un environnement choisi pour imiter Mars. Que la technique finisse par faire partie d'une future charge utile dépendra de travaux supplémentaires montrant qu'elle peut fonctionner de manière fiable hors du laboratoire et sur les types d'échantillons qu'une mission analyserait réellement. Néanmoins, alors que les astrobiologistes continuent de peser où chercher et quoi chercher, un instrument petit, robuste et sans réactifs répond à une lacune reconnue dans la recherche de biosignatures — tant au sein de notre système solaire qu'au-delà.

Cet article est basé sur un reportage de Phys.org. Lire l'article original.