Proposition de thèse : Caractérisation moléculaire de micro- et macro-fossiles

Proposition de thèse financée

Caractérisation moléculaire de micro- et macro-fossiles par spectrométrie de masse à l’échelle cellulaire.

Localisation: Université de Lille, Cité Scientifique, 59650 Villeneuve d’Ascq, France

Encadrement: Encadrement: Kevin Lepot (Maître de conférences, HDR, Laboratoire d’Océanologie et de Géosciences, UMR 8187 U. Lille, CNRS, U. Littoral Côte d’Opale, Institut Universitaire de France), Yvain Carpentier (Maître de conférences, Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules UMR 8523 U. Lille, CNRS), Thijs Vandenbroucke (Professeur, Department of Geology, Ghent University, Ghent, Belgium)

Financement de la thèse: obtenu via Université de Lille, pour 3 ans, début Octobre 2021

Sujet:

L’origine de la biomasse fossile des roches très anciennes reste difficile à évaluer en raison de la simple morphologie des microorganismes fossiles qui la composent. Obtenir des signatures moléculaires à l’échelle du microorganisme fossile individualisé permettrait de mieux décrire l’évolution de la biodiversité des microorganismes depuis 3,5 milliards d’années. De la même manière, l’identification de biomacromolécules fossiles à l’échelle des différents tissus permettrait de contraindre la nature des plus anciens macroorganismes fossiles, telles que les premières plantes terrestres.

La technique de spectrométrie de masse en temps de vol des ions secondaires (ToF-SIMS) a permis de mettre en évidence des biomacromolécules telles que la mélanine ou des dérivés d’hémoglobine dans des macrofossiles. Ce projet vise à développer plus avant ce type d’analyses moléculaires des fossiles jusqu’à l’échelle cellulaire. Nous couplerons des informations obtenues par ToF-SIMS résolue jusqu’à l’échelle sub-micrométrique, à celles obtenues par spectrométrie de masse conduite à micro-échelle sur un instrument innovant couplant désorption laser et ionisation laser (µL2MS), que nous développons à Lille. Les paramètres analytiques des deux types d’instruments devront être finement réglés afin de maximiser l’information moléculaire obtenue dans les spectres de masse. Sur l’instrument µL2MS, plusieurs choix de longueurs d’ondes de désorption et/ou ionisation laser seront à tester, et une source d’ionisation vacuum-UV sera ajoutée à l’instrument existant.

Nous analyserons une collection exceptionnelle de fossiles âgés de ~60 à ~460 millions d’années incluant du phytoplancton, des microorganismes phototrophes benthiques, des poissons, des insectes et des plantes. L’objectif est de décrypter la composition des (micro)fossiles (et de leurs ultrastructures/tissus) individualisés en termes de dérivés de biomacromolécules (algenane, cellulose, peptidoglycane, chitine, collagène…). Des enrichissements en porphyrines issus de chlorophylles seront aussi recherchés ainsi. Ce couplage moléculaire/morphologie contraindra l’affinité de ces organismes et permettra in fine de chercher leurs formes les plus anciennes. Les techniques ici appliquées à la paléontologie sont transposables à l’exobiologie (un spectromètre de masse par désorption-ionisation laser sera par exemple prochainement envoyé sur Mars).

Profil des candidats souhaités :

géosciences avec connaissances en paléontologie et géochimie organique avec volonté de maîtriser des instruments avancés; ou physique/chimie (spectrométrie de masse, lasers et applications), avec volonté de découvrir des bases de paléontologie / géochimie.

Candidatures (curriculum vitae, lettre de motivation, adresses mails de 2-3 référents) à adresser à kevin.lepot@univ-lille.fr avant le 20 mai 2021.

Ecole doctorale Sciences de la Matière, du Rayonnement, et de l’Environnement : site web avec dossier complet de candidature (à compléter si l’entretien préliminaire de présélection est conclusif).

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Molecular characterization of micro- and macro-fossils by mass spectrometry at the cellular scale.

Advisors : Kevin Lepot (Associate Professor, HDR, Laboratoire d’Océanologie et de Géosciences, UMR 8187 U. Lille, CNRS, U. Littoral Côte d’Opale, Institut Universitaire de France), Yvain Carpentier (Associate Professor, Laboratoire de Physique des Lasers, Atomes et Molécules UMR 8523 U. Lille, CNRS), Thijs Vandenbroucke (Professor, Department of Geology, Ghent University, Ghent, Belgium)

Financing of thesis: obtained via Université de Lille, for 3 years starting in October 2021

Locality: Université de Lille, Cité Scientifique, 59650 Villeneuve d’Ascq, France

The origin of the fossil biomass in ancient rocks remains difficult to assess because of the simple morphology of the fossil microorganisms that compose it. Obtaining molecular signatures at the scale of the individualized fossil microorganism would enable us to better document the evolution of the biodiversity of microorganisms since 3.5 billion years. Similarly, the identification of fossil biomacromolecules at the scale of individual tissues would allow to constrain the nature of the oldest fossil macro-organisms, such as the first land plants.

The secondary ion time-of-flight mass spectrometry (ToF-SIMS) technique has been used to identify biomacromolecules such as melanin or hemoglobin derivatives in macroscopic fossils. This project aims to further develop this type of molecular analysis of fossils down to the cellular level. We will couple information from ToF-SIMS, resolved down to the sub-micrometer scale, and microscale two-step laser mass spectrometry (µL2MS) using an innovative instrument developed in Lille. The analytical parameters of both types of instruments will have to be finely tuned to maximize the molecular information obtained in the mass spectra. On the µL2MS instrument, several choices of laser desorption and/or laser ionization wavelengths will be tested, and a vacuum-UV ionization source will be added to the existing instrument.

We will analyze an exceptional collection of fossils, ~60 to ~460 million year old, including phytoplankton, benthic phototrophic microorganisms, fishes, insects, and plants. The objective is to decipher the composition of individualized (micro)fossils (and their ultrastructures/tissues) in terms of biomacromolecule derivatives (algenan, cellulose, peptidoglycan, chitin, collagen…). Porphyrin enrichments from chlorophylls will also be investigated. This molecular/morphological coupling will constrain the affinity of these organisms and will allow in turn to search for their oldest forms. The techniques applied here to paleontology can be transposed to exobiology (for example, a laser desorption-ionization mass spectrometer will be sent to Mars).

Candidate profiles: geosciences with knowledge of paleontology and organic geochemistry with a desire to master advanced instruments; or physics/chemistry (mass spectrometry, lasers and applications), with a desire to discover the basics of paleontology/geochemistry.

Contact for application: send curriculum vitae, letter of motivation and e-mails of 2-3 potential referees to kevin.lepot@univ-lille.fr / deadline: 20^th of May, 2021

Doctoral school (Sciences de la Matière, du Rayonnement, et de l’Environnement) website and full application file (to be filled if the preselection interview is conclusive)