Stages de M2 en chimie prébiotique et astrochimie à Marseilles

Offres de stages de M2 Recherche en chimie prébiotique et astrochimie, au PIIM à Marseille

 

Analogues expérimentaux de la surface  des satellites de Jupiter – irradiation d’échantillons de glace avec composés organiques et analyse multi-techniques (infra-rouge, spectrométrie de masse basse et haute résolution)

 Laboratoire : Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires

Equipe : ASTRO

NOM, Prénom : Bouquet, Alexis

Adresse : Aix-Marseille Université – CNRS – Laboratoire PIIM, équipe ASTRO, service 252 -Saint Jérôme – AVE Escadrille Normandie Niemen – 13013 Marseille

N° de téléphone : +33633866749

E-Mail : alexis.bouquet@univ-amu.fr

Ce travail porte sur la compréhension de l’évolution de la matière organique à la surface des satellites de Jupiter, en particulier Europe. Sous une épaisse couche de glace, ces satellites recèlent un océan d’eau liquide qui présente un intérêt pour l’astrobiologie. Les composés de l’océan qui remontent à la surface sont soumis à un bombardement intense de particules énergétiques (électrons, ions) qui les altèrent et forment de nouvelles espèces très diverses et complexes. Comprendre l’effet de ce processus d’irradiation est nécessaire à la fois pour l’interprétation des données des futures missions spatiales et pour comprendre l’évolution chimique globale de ces satellites.

Au sein de notre laboratoire, nous développons une activité expérimentale consistant à générer sous vide (10^-9 mbar), à températures représentatives de la surface de ces satellites (80-130K), des échantillons de glaces (eau + espèces d’intérêt pour ce contexte : espèces organiques, ammoniac, espèces soufrées…). Ces échantillons sont ensuite irradiés par flux d’électrons pour induire le type de transformation physico-chimiques attendus à la surface des satellites joviens. Pendant l’irradiation, l’évolution de l’échantillon est étudiée par spectrométrie infrarouge FT-IR, qui donne une vue d’ensemble des fonctions chimiques majeures détruites ou produites. L’échantillon est ensuite progressivement ramené à température ambiante. Cela permet la sublimation des espèces les plus volatiles qui sont récupérées pour analyse par Chromatographie Gazeuse – Spectrométrie de Masse (GC-MS) ; les espèces les plus réfractaires (composés organiques massifs) restent sur le porte échantillon et sont récupérées pour analyse par spectrométrie de masse ultra-haute résolution (UHRMS) chez nos partenaires.

Ces expérimentations apportent des informations essentielles concernant l’évolution de la matière organique dans ces environnements, avec des résultats importants pour anticiper les caractéristiques de la matière qui sera accessible aux instruments des missions spatiales (JUICE de l’ESA, Europa Clipper de la NASA). En parallèle, comme les ions lourds sont une autre composante majeure de l’évolution de la surface des satellites joviens, notre équipe procède à des expériences au Grand Accélérateur National d’Ions Lourds (GANIL) à Caen.

Le sujet de ce stage consiste en d’une part procéder à la formation d’analogues de glace et à leur irradiation par faisceau d’électrons dans notre chambre à vide, et à recueillir et exploiter les données FT-IR et GC-MS.  La personne recrutée devra donc prendre en main les systèmes liés à la production/irradiation d’échantillons (chambre sous vide, canon à électron) et les techniques analytiques. Une partie importante du projet consistera à analyser ces données, et les mettre en relation avec les données produites par d’autres expérinces hors-site (au GANIL) et les données UHRMS.

1. Ruf, A., Bouquet, A., Boduch, P., Schmitt-Kopplin, P., Vinogradoff, V., Duvernay, F., … & Danger, G. (2019). Organosulfur compounds formed by sulfur ion bombardment of astrophysical ice analogs: implications for moons, comets, and Kuiper Belt objects. The Astrophysical journal letters, 885(2), L40.
2. Ruf, A., Bouquet, A., Schmitt-Kopplin, P., Boduch, P., Mousis, O., & Danger, G. Sulfur ion irradiation experiments simulating space weathering of Solar System body surfaces. Organosulfur compound formation. Astronomy & Astrophysics.
3. Methanol ice VUV photo-processing : GC-MS analysis of volatile organic compounds. N. Abou Mrad et al. Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, 2016, 458, 1234-1241

 

*****************************

Evolution de matière organique exogène en conditions simulant la Terre primitive

 Laboratoire : Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires

Equipe : ASTRO

NOM, Prénom : DANGER, Grégoire

Adresse : Aix-Marseille Université – CNRS – Laboratoire PIIM, équipe ASTRO, service 252 -Saint Jérôme – AVE Escadrille Normandie Niemen – 13013 Marseille

N° de téléphone : +33650434595

E-Mail : gregoire.danger@univ-amu.fr

Nous développons au sein de notre labortaoire une expérience de simulation de l’évolution de glaces observées en abondance dans les nuages moléculaires. Les glaces interstellaires les plus abondantes (dans notre cas H₂O, CH₃OH et NH₃) sont mélangées en phase gazeuse et déposées sur une surface froide (77 K) où elles sont modifiées par irradiation UV puis par le réchauffement de l’échantillon jusqu’à température ambiante (300 K) où la formation d’un résidu, organique, essentiellement soluble (eau et solvants classiques), est toujours observée ^1,2. Le résidu organique issu de la transformation de ces glaces constitue un analogue de la matière organique qui est présente dans les petits corps du Système Solaire (astéroïdes, comètes) et donc aussi dans les météorites carbonées trouvées à la surface de notre planète. Cette matière carbonée est supposée avoir pu jouer un rôle déterminant dans la chimie prébiotique dans un environnement propice (eau liquide et apport d’énergie libre), par exemple sur la Terre primitive où la vie est effectivement apparue très tôt semble-t-il après la formation de la planète. Le potentiel réellement prébiotique de cette matière est donc une hypothèse sérieuse.

A partir de ces résidus, nous développons une expérience qui a pour but de déterminer en quoi la matière exogène a pu jouer un rôle dans l’émergence de systèmes biochimiques sur la Terre primitive. Notre objectif est de déterminer les conditions expérimentales permettant une auto-organisation de la matière vers l’émergence de systèmes prébiotiques qui sont des systèmes chimiques auto-catalytiques loin de l’équilibre, récemment nommés réplicateurs par R. Pascal et A. Pross.

Dans ce contexte, le présent stage aura pour premier objectif une participation à la synthèse de ces résidus, une technique qui est déjà opérationnelle dans notre laboratoire. Ils seront ensuite utilisés pour être mis en réaction dans les conditions simulant celles de l’environnement aqueux de la Terre primitive. Cette mise en réaction se fera à l’aide de réacteurs micro-fluidiques. L’objectif de ce stage est de mettre au point le protocole expérimental et la méthodologie analytique nécessaire au suivi de l’évolution de ces résidus. L’analyse des échantillons se fera par spectrométrie de masse à très haute résolution (FT-ICR) en collaboration avec Ph. Schmitt-Kopplin à l’Université de Munich en Allemagne, approche qui nous permettra d’avoir une image globale du contenu moléculaire de nos échantillons et de leur évolution. Des analyses plus ciblées pourront être envisagées par GC-orbitrap ou LC-orbitrap au sein de notre laboratoire suivant le degré d’avancement du projet.

L’étudiant recruté devra avoir de bonnes connaissances en chimie analytique et plus particulièrement en spectrométrie de masse. Des connaissances en physico-chimie seraient un atout. Il devra être prêt à partir en mission plusieurs fois lors de son stage pour se former sur les systèmes micro-fluidiques chez Philippe Nghe à l’ESPCI et effectuer les différentes analyses en Allemagne.

1. Danger, G. et al. Characterization of laboratory analogs of interstellar/cometary organic residues using very high resolution mass spectrometry. Geochim. Cosmochim. Acta 118, 184–201 (2013).
2. Fresneau, A. et al. Cometary Materials Originating from Interstellar Ices: Clues from Laboratory Experiments. Astrophys. J. 837, 168 (2017).
3. Danger, G., Plasson, R. & Pascal, R. Pathways for the formation and evolution of peptides in prebiotic environments. Chem. Soc. Rev. 41, 5416–5429 (2012).
4. Pascal, R., Pross, A., Sutherland, J. D., Umr, M. & Universite, C. kinetics and thermodynamics Towards an evolutionary theory of the origin of life based on kinetics and thermodynamics. Open Biol. 3, 130156 (2013).
5. On the conditions for mimicking natural selection in chemical systems. G. Danger, L. Le Sergeant d’Hendecourt, R. Pascal*. Nature Reviews Chemistry, 4, 102–109 (2020).

*****************************

 

Développements analytiques pour l’analyse par UPLC-MC d’analogues de matière organique cométaire

 Laboratoire : Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires

Equipe : ASTRO

Encadrants :      RIGHEZZA, Michel et DANGER, Grégoire

Adresse : Aix-Marseille Université – CNRS – Laboratoire PIIM, équipe ASTRO, service 252 -Saint Jérôme – AVE Escadrille Normandie Niemen – 13013 Marseille

N° de téléphone : +33650434595

E-Mail : michel.righezza@univ-amu.fr

Nous développons au sein de notre labortaoire une expérience de simulation de l’évolution de glaces interstellaires observées en abondance dans les nuages moléculaires. Dans nos expériences, les analogues de glaces interstellaires sont préparés par mélange en phase gazeuse de différentes molécules (dans notre cas H₂O, CH₃OH et NH₃) qui est déposé sur une surface froide (77 K). Ces glaces sont modifiées par irradiation UV puis par réchauffement jusqu’à température ambiante (300 K) où la formation d’un résidu organique, essentiellement soluble (eau et solvants classiques), est toujours observée. Le résidu organique issu de la transformation de ces glaces constitue un analogue de la matière organique qui est présente dans les petits corps du système solaire (astéroïdes, comètes) et donc aussi dans les météorites carbonées trouvées à la surface de notre planète. Cette matière carbonée est supposée avoir pu jouer un rôle déterminant dans la chimie prébiotique dans un environnement propice (eau liquide et apport d’énergie libre), par exemple sur la Terre primitive où la vie est effectivement apparue très tôt semble-t-il après la formation de la planète. Le potentiel réellement prébiotique de cette matière est donc une hypothèse sérieuse.

Nous avons récemment développé un protocole d’analyse des résidus par une méthode permettant l’extraction online sur phase solide SPE-UPLC pour obtenir un fractionnement des résidus par familles chimiques de type amine ou acide carboxylique, polaire ou apolaire, pour mieux comprendre la composition des résidus. L’objectif du stage consistera à analyser les différentes fractions obtenues par spectrométrie de masse très haute résolution pour établir une première image moléculaire. Ensuite pour chaque fraction, il faudra mettre au point les différents gradients et modes d’élution permettant une séparation des différents composés.

Une formation en chimie analytique, et notamment en spectrométrie de masse et chromatographie liquide, est fortement recommandée.

1. Danger, G. et al. Characterization of laboratory analogs of interstellar/cometary organic residues using very high resolution mass spectrometry. Geochim. Cosmochim. Acta 118, 184–201 (2013).
2. Fresneau, A. et al. Cometary Materials Originating from Interstellar Ices: Clues from Laboratory Experiments. Astrophys. J. 837, 168 (2017).
3. Eddhif, B. et al. Development of Liquid Chromatography High Resolution Mass Spectrometry Strategies for the Screening of Complex Organic Matter : Application to Astrophysical Simulated Materials. B. Eddhif,. Talanta, 179, 238-245 (2018).
4. Ruf, A. et al Data-driven UPLC-Orbitrap MS analysis in astrochemistry. LIFE, 2, E35 (2019).

*****************************

 

Étude de la réaction de formose avec des minéraux pour la formation de sucres dans les conditions de la Terre primitive 

 Laboratoire : Physique des Interactions Ioniques et Moléculaires, PIIM

Equipe : ASTRO, Astrochimie, Spectroscopie, Théorie, Réactivité, Origines

https://piim.univ-amu.fr/la-recherche/la-recherche-3/equipe-astro/

NOM, Prénom : VINOGRADOFF, Vassilissa ;  DANGER, Grégoire

Adresse : Aix-Marseille Université – CNRS – Laboratoire PIIM, équipe ASTRO, service 252 -Saint Jérôme – AVE Escadrille Normandie Niemen – 13013 Marseille

N° de téléphone : +33413946482

E-Mail : vassilissa.vinogradoff@univ-amu.fr

La complexification des premières entités chimiques sur la Terre primitive requiert des processus d’évolution qui ont dû être interdépendants de l’environnement et des réactions chimiques possibles. Les processus d’interactions entre les matières (organiques et minérales) pendant cette chimie prébiotique et les environnements les plus propices à la complexification de la matière restent largement méconnus à ce jour. Dans ce projet, nous nous intéresserons à la formation des sucres (les oses) dans les conditions de la Terre primitive. Les sucres sont des molécules qui possèdent un intérêt biologique majeur puisqu’elles font partie de notre ADN, en particulier le ribose et possèdent des propriétés d’homochiralité. Les sucres sont facilement synthétisables par la réaction de Formose en laboratoire, une des réactions chimiques les plus connues en chimie organique car elle permet la formation de glucides dont les aldoses et cétoses à partir d’une molécule très simple, le formaldéhyde. Cette réaction est catalysée par des sels inorganiques, de type hydroxyde de calcium et la première étape est limitante, nécessitant en synthèse l’ajout d’un initiateur, le glycolaldéhyde. Les sucres formés sont alors tous chiraux.

Les expériences que nous proposons de développer visent à tester cette réaction de Formose dans des conditions pertinentes à la Terre primitive et avec des minéraux omniprésents à la surface de la terre, typiquement des silicates. En particulier, nous voulons tester la possible sélectivité induite sur le système en fonction de la présence des minéraux avec la température, la concentration en formaldéhyde et la présence de dioxyde de carbone.

Les analogues produits seront caractérisés par plusieurs techniques analytiques, afin de caractériser et quantifier les sucres formés, leur forme énantiomérique, ainsi que le minéral et son rôle dans la réaction de Formose. Différents outils analytiques seront utilisés, spectroscopie infrarouge, GC-MS, HPLC-MS, ainsi que de la microscopie électronique (MET, MEB).

Les données permettront de mieux comprendre le cycle autocatalytique de la réaction de Formose et seront confrontées avec les autres systèmes étudiés en chimie prébiotique.

Ce sujet requiert de bonnes connaissances en chimie expérimentale et en chimie analytique, ainsi que des connaissances en géo-chimie seraient un atout.

References relatives au sujet :

Robinson, W.E., et al. (2022), Environmental conditions drive self-organization of reaction pathways in a prebiotic reaction network. Nat. Chem. 14, 623–631. https://doi.org/10.1038/s41557-022-00956-7

Delidovich I. et al. (2014), Catalytic formation of monosaccharides: from the formose reaction towards selective synthesis. ChemSusChem. ;7(7):1833-46. https://doi.org/10.1002/cssc.201400040

Vinogradoff, V. et al., (2018), Evolution of interstellar organic compounds under asteroidal hydrothermal conditions,  Icarus, 305. https://doi.org/10.1016/j.icarus.2017.12.019

Vinogradoff et al. (2020), Influence of phyllosilicates on the hydrothermal alteration of organic matter in asteroids: Experimental perspectives., GCA, 269, https://doi.org/10.1016/j.gca.2019.10.029.