PhD thesis offer on biosignatures preservation in salt

Call for Candidates:

Doctoral Research Project « Fleur de Sel »

(FLow / ExocUbe expeRiments of Life bioSignaturEs preservation in saLt)

Laboratories and Supervisors:

Adrienne Kish (HDR), MCAM UMR7245 MNHN, Paris, France

In collaboration with Samuel Marre and Anaïs Cario, ICMCB, Bordeaux, France

The selection of candidates will be in a two-steps process:

1. Candidates must first apply via the CNES website : https://recrutement.cnes.fr/en/annonce/2699661-24-065-flow-exocube-experiments-of-life-biosignatures-preservation-in-salts-75005-paris

This application process is for the half-thesis grant from CNES. The application must be received before the 15/03/2024.

2. Then, the candidate selected for the CNES grant will be validated for the second half of the funding provided by the PEPR Origins (Projet PEPR Origin « impact des Conditions pRimitives et des rayonnements UV sur des bioSignature au sein des CrisTAux de seL »).

Candidate Profile:

• Masters degree in Microbiology (preferred) or Biochemistry with a strong interest in exobiology, interdisciplinary science, and new techniques.
• Functional level of scientific English.
• Geographic mobility between Paris and Bordeaux for experiments. As this PhD project will occur between two collaborative labs (MNHN, Paris & ICMCB, Pessac), it is very important to be able to move from one place to another. The thesis will be organized to make the stay easier for housing (long stay in each city). Some funding is also planned for collaborative interaction between both labs (trainings, meetings, etc.).

For more information contact:

Adrienne Kish: adrienne.kish (at) mnhn.fr

Samuel Marre: samuel.marre (at) icmcb.cnrs.fr

Anaïs Cario: anais.cario (at) icmcb.cnrs.fr

Subject:

On Earth, life has been proposed to be preserved in a structurally intact state inside microscopic brine inclusions in salt crystals for up to 830 million years [1]. Hence, salts could offer a tantalizing environment for the study of intact early planetary life differing from fossilized mineral remains of microorganisms such as stromatolites. Evidence for past and present high salinity conditions are found throughout the solar system (icy moons [2,3], Mars, meteorites[4]). Evaporite crystals are known to be UV-shielding, particularly NaCl mixed with other salts (e.g., KCl, MgSO₄) [5]. Organics have been preserved within the brine inclusions of extraterrestrial halite (NaCl) crystals [6] demonstrating their suitability to preserve potential biosignatures. Recent work from our lab demonstrated new techniques for isolation of proteins from halite fluid inclusions and the first proteomics analyses of adaptation to such environments by living halophiles [7]. Salts are therefore key environments to understand the preservation of biosignatures of early planetary life, in preparation for upcoming space sample return missions. Therefore, the proposed doctoral project will address two key questions:

1. What are the effects of space radiation on microbial cells trapped in salt crystals? (Evaluating cell viability & physiology within the salt inclusions)

2. How does the brine composition within the salt crystal affect cell activity and integrity? (Deciphering physio-chemical mechanisms of microbial-mineral interactions as well as water activity on vital biomolecules)

This doctoral project focus on the Exocube spaceflight experiment (MNHN participation financed by CNES Exobiologie) scheduled for launch to the new ISS Bartolomeo EXPO platform as part of Science Mission 1 (2024-25). The Exocube experiment includes novel rehydration equipment for microbial cultures, including halophile-bearing salt crystals, outside the ISS in an automated system. The effects of space radiation on cell surface structures trapped in salts, marked as a key technological and scientific goal by the ESA Astrobiology Topical Team [8], will be investigated using in situ FTIR spectroscopy. The PhD candidate will be part of final sample preparations, perform all ground control experiments to replicate ISS exposure conditions based on flight sensors in Exocube and perform post-flight sample analyses. The effects of UV radiation in LEO on halophilic cells inside salt crystals will be evaluated by monitoring growth (OD600nm absorption values with a LED/photodiode system) and cell activity (with MitoTracker fluorophore sensitive to membrane potential indicating active electron transport chains). Then, the cells will be fixed with aldehyde based chemical fixatives enabling post-flight observations of cellular structures using electron microscopies. These methods have already been validated as feasible.

In parallel, a secondary focus of the PhD project will expand on the hypothesis that salt crystals can preserve microorganisms over millions of years. This is in alignment with the PEPR Origins, of which the ICMCB participates in the frame of the Axis 4 – Microfluidics to investigate prebiotic chemistry and early life on Earth using microfluidic systems. The ICMCB microfluidic platform [9] has already been used to study halophiles is an ongoing collaboration between MCAM and ICMCB to prepare for the Exocube experiment by testing fluidics technology with living halophiles simulating spaceflight-related conditions. The microfluidic system of ICMCB was developed also for applications in space science with the financial support of CNES (ISS spaceflight DECLIC project « SCWO » in development phase A-B). The system will now be used in the frame of this interdisciplinary exobiology PhD project to simulate halite fluid inclusions.

References:

1. Schreder-Gomes, S. I. et al. Geology (2022).

2. Trumbo, S. K. et al. Sci Adv 5, eaaw7123 (2019).

3. Postberg, F. et al. Nature 474, 620–622 (2011).

4. Squyres, S. W. et al. Science 313, 1403–1407 (2006).

5. Morwool, P. F. W. Env. Science (2019).

6. Chan, Q. H. S. et al. Science Advances 4, eaao3521 (2018).

7. Favreau, F. et al. Front Microbiol 13, 1075274 (2023).

8. Elsaesser, A. et al. npj Microgravity 9, 43 (2023).

9. Cario, A. et al. Front Microbiol 13, 866681 (2022).

Sujet (en français) :

Sur Terre, il a été proposé que la vie soit préservée dans un état structurellement intact à l’intérieur d’inclusions microscopiques de saumure dans des cristaux de sel pendant une période pouvant aller jusqu’à 830 millions d’années [1]. Les sels pourraient donc offrir un environnement intéressant pour l’étude de la vie planétaire primitive intacte, différente des restes minéraux fossilisés de micro-organismes tels que les stromatolithes. On trouve des preuves de conditions passées et présentes de salinité élevée dans tout le système solaire (lunes glacées [2,3], Mars, météorites [4]). On sait que les cristaux d’évaporite protègent des UV, en particulier le NaCl mélangé à d’autres sels (par exemple, KCl, MgSO4) [5]. Des substances organiques ont été préservées dans les inclusions de saumure des cristaux d’halite (NaCl) extraterrestres [6], ce qui prouve qu’ils sont aptes à préserver des biosignatures potentielles. Des travaux récents de notre laboratoire ont mis en évidence de nouvelles techniques d’isolation des protéines des inclusions fluides d’halite et les premières analyses protéomiques de l’adaptation des halophiles vivants à de tels environnements [7]. Les sels sont donc des environnements clés pour comprendre la préservation des biosignatures des débuts de la vie planétaire, en préparation des prochaines missions spatiales de retour d’échantillons. Par conséquent, le projet de doctorat proposé abordera deux questions clés :

1. Quels sont les effets des radiations spatiales sur les cellules microbiennes piégées dans les cristaux de sel ? (évaluation de la viabilité et de la physiologie des cellules dans les inclusions de sel)

2. Comment la composition de la saumure à l’intérieur du cristal de sel affecte-t-elle l’activité et l’intégrité des cellules ? (Décryptage des mécanismes physio-chimiques des interactions microbes-minéraux ainsi que de l’activité de l’eau sur les biomolécules vitales)

Ce projet doctoral se concentre sur l’expérience de vol spatial Exocube (participation du MNHN financée par le CNES Exobiologie) dont le lancement est prévu sur la nouvelle plateforme EXPO Bartolomeo de l’ISS dans le cadre de la mission scientifique 1 (2024-25). L’expérience Exocube comprend un nouvel équipement de réhydratation des cultures microbiennes, notamment des cristaux de sel contenant des halophiles, à l’extérieur de l’ISS dans un système automatisé. Les effets du rayonnement spatial sur les structures de surface des cellules piégées dans les sels, considérés comme un objectif technologique et scientifique clé par l’équipe thématique de l’ESA sur l’astrobiologie [8], seront étudiés à l’aide de la spectroscopie FTIR in situ. Le candidat au doctorat participera à la préparation finale des échantillons, réalisera toutes les expériences de contrôle au sol pour reproduire les conditions d’exposition à l’ISS sur la base des capteurs de vol dans l’Exocube et effectuera des analyses d’échantillons après le vol. Les effets du rayonnement UV en LEO sur les cellules halophiles à l’intérieur des cristaux de sel seront évalués en surveillant la croissance (valeurs d’absorption OD600nm avec un système LED/photodiode) et l’activité cellulaire (avec le fluorophore MitoTracker sensible au potentiel membranaire indiquant des chaînes de transport d’électrons actives). Les cellules seront ensuite fixées avec des fixateurs chimiques à base d’aldéhyde, ce qui permettra d’observer les structures cellulaires après le vol à l’aide de microscopes électroniques. Ces méthodes ont déjà été validées comme étant réalisables.

Parallèlement, le projet de doctorat se concentrera sur l’hypothèse selon laquelle les cristaux de sel peuvent préserver les micro-organismes pendant des millions d’années. Ceci est en accord avec le PEPR Origins, auquel l’ICMCB participe dans le cadre de l’Axe 4 – Microfluidique pour étudier la conservation des micro-organismes pendant des millions d’années. Ceci est en accord avec le PEPR Origins, auquel l’ICMCB participe dans le cadre de l’axe 4 – Microfluidique pour étudier la chimie prébiotique et les débuts de la vie sur Terre à l’aide de systèmes microfluidiques. La plateforme microfluidique de l’ICMCB [9] a déjà été utilisée pour étudier les halophiles dans le cadre d’une collaboration en cours entre le MCAM et l’ICMCB pour préparer l’expérience Exocube en testant la technologie fluidique avec des halophiles vivants simulant les conditions d’un vol spatial. Le système microfluidique de l’ICMCB a également été développé pour des applications en sciences spatiales avec le soutien financier du CNES (projet DECLIC « SCWO » pour les vols spatiaux de l’ISS en phase de développement A-B). Le système sera maintenant utilisé dans le cadre de ce projet interdisciplinaire de doctorat en exobiologie pour simuler des inclusions fluides d’halite.

Références :

1. Schreder-Gomes, S. I. et al. Geology (2022).

2. Trumbo, S. K. et al. Sci Adv 5, eaaw7123 (2019).

3. Postberg, F. et al. Nature 474, 620–622 (2011).

4. Squyres, S. W. et al. Science 313, 1403–1407 (2006).

5. Morwool, P. F. W. Env. Science (2019).

6. Chan, Q. H. S. et al. Science Advances 4, eaao3521 (2018).

7. Favreau, F. et al. Front Microbiol 13, 1075274 (2023).

8. Elsaesser, A. et al. npj Microgravity 9, 43 (2023).

9. Cario, A. et al. Front Microbiol 13, 866681 (2022).

Profil du candidat :

• Master en microbiologie (de préférence) ou en biochimie avec un intérêt marqué pour l’exobiologie, la science interdisciplinaire et les nouvelles techniques.
• Bon niveau d’anglais – notamment scientifique.
• Capacité à vivre à Paris et à se rendre à Bordeaux pendant de longues périodes pour des expériences. Comme ce projet de thèse se déroulera entre deux laboratoires collaboratifs (MNHN, Paris & ICMCB, Pessac), il est très important de pouvoir se déplacer d’un endroit à l’autre. La thèse sera organisée de manière à faciliter le séjour pour le logement (long séjour dans chaque ville). Un financement est également prévu pour l’interaction collaborative entre les deux laboratoires (formations, réunions, etc.).