Etude de l'efficacité de la fonctionnalisation des acides aminés au MTBSTFA après hydrolyse

412 Pages·2017·11.41 MB·French

by  Amaury Brault

THÈSE
présentée par

Amaury BRAULT

pour l’obtention du

GRADE DE DOCTEUR

Spécialité : Exobiologie – Chimie analytique

Laboratoire d’accueil : Laboratoire de Génie des Procédés et Matériaux (LGPM)

SUJET :

Etude de l'efficacité de la fonctionnalisation des acides aminés au
MTBSTFA après hydrolyse acide et dans différentes matrices minérales
analogues martiennes. Application aux expériences Sample Analysis at
Mars (SAM) et Mars Organic Molecule Analyzer (MOMA).

soutenue le : 25 septembre 2015

devant un jury composé de :

Frances WESTALL Rapporteur
Uwe MEIERHENRICH Rapporteur
Cyril SZOPA Examinateur
Caroline FREISSINET Examinateur
Arnaud BUCH Co-directeur
Moncef STAMBOULI Directeur

Remerciements

L’aboutissement de ce travail n’aurait pas été possible sans l’aide de multiples
personnes, qui ont, d’une manière ou d’une autre, contribué à la réalisation de ce doctorat.
Je tiens premièrement à remercier mes encadrants Arnaud Buch et Moncef Stambouli,
qui, grâce à leurs connaissances, leur patience et leur pédagogie, ont su m’accompagner tout
au long de ma thèse.
Je suis également reconnaissant envers Cyril Szopa et Caroline Freissinet, qui ont
accepté d’être examinateurs au sein de mon jury de thèse, ainsi que Uwe Meierhenrich et
Frances Westall, qui ont accepté d’en être les rapporteurs.
J’aimerais également remercier l’ensemble des personnes qui ont pu m’apporter leur
aide dans l’acquisition et l’interprétation des résultats présentés dans cette thèse : Carole
Garnier, Caroline Freissinet, Jing He, Imène Belmahdi, Fabien Stalport, Daniel Glavin, Coralie
Brassé, Pin Lu, Barbara Malinowska, Gilles Boemare, et Dominique Chevalier.
Je tiens de plus à remercier l’ensemble du LGPM pour son accueil chaleureux,
notamment Corinne Roussel, Jamila El Bekri, Jean Trubuil, Annie Boemare, Mathilde Charters,
Cyril Breton, Hélène Santigny, Vincent Butin, Carole Bernard et Catherine Kruch pour leur aide
régulière au laboratoire.
Je tiens d’autre part à remercier Patrice Coll, qui a su m’orienter vers ce sujet de thèse,
Michel Viso pour nos échanges intéressants, Michel Dobrijevic pour son orientation, Kafila
Saiagh, Sofien Cavagnol, Pascal Buizard et Zhaohuan Mai pour leur soutien et leur amitié, ainsi
que toutes les personnes rencontrées au cours de cette thèse, notamment au sein de l’Ecole
Centrale Paris, lors du COSPAR 2012, et aux Rencontres Exobiologiques pour Doctorants 2012.
Je tiens également à remercier le personnel de l’école doctorale SMEMaG, notamment
Catherine Lhopital, Emmanuelle Coplo et Géraldine Carbonel pour leur amabilité ; ainsi que
Benoit Goyeau, directeur de l’école doctorale, pour son soutien et ses conseils précieux.
Je tiens finalement à remercier ma famille et mes proches, notamment Sophia Salhi,
mes parents Jean-Michel et Fabienne, mes frères Michel et Adrien, ma sœur Emmanuelle, et
mes amis, qui ont toujours su m’apporter leur soutien, quelles que soient les circonstances.

B
Sommaire
Sommaire

Introduction Générale .................................................................... 1

Glossaire ........................................................................................ 5

Chapitre I : Bibliographie ................................................................ 7

1.1) Introduction ............................................................................................. 7
1.1.1) Qu’est-ce que la vie ? ................................................................................................ 8
1.1.2) Comment la vie telle qu’on la connait est-elle apparue ? ...................................... 10
1.1.3) Pourquoi chercher la vie ailleurs? Intérêt de Mars et des météorites ................... 13
1.1.4) Conclusion ............................................................................................................... 15
1.2) Que chercher : bioindices et biomarqueurs ........................................... 15
1.2.1) Signatures morphologiques, sédimentaires et minérales ...................................... 17
1.2.1.1) Signatures morphologiques ............................................................................. 17
1.2.1.2) Structures sédimentaires d’origine microbienne ............................................ 17
1.2.1.3) Biominéralisation ............................................................................................. 18
1.2.2) Signatures isotopiques ............................................................................................ 18
1.2.3) Signatures métaboliques ........................................................................................ 19
1.2.4) Présence de biopolymères, leurs monomères, et autres molécules organiques .. 23
1.2.4.1) Biomarqueurs ................................................................................................... 24
1.2.4.1.1) Biopolymères ............................................................................................. 24
Acides nucléiques ................................................................................................... 24
Protéines ................................................................................................................ 25
Polysaccharides et autres osides ............................................................................ 25
1.2.4.2.2) Lipides ........................................................................................................ 27
1.2.4.2) Bioindices ......................................................................................................... 27
i
Sommaire
1.2.4.2.1) Monomères ............................................................................................... 28
Bases azotées ......................................................................................................... 28
Acides aminés et chiralité ...................................................................................... 29
Oses et chiralité ...................................................................................................... 33
1.2.4.2.2) Acides carboxyliques ................................................................................. 33
1.2.4.3) Matière organique complexe ........................................................................... 34
1.2.5) Conclusion ............................................................................................................... 35
1.3) Où chercher : du milieu interstellaire au système solaire interne .......... 35
1.3.1) Le milieu interstellaire et les milieux circumstellaires ........................................... 36
1.3.1.1) Observations .................................................................................................... 36
1.3.1.2) Simulations ....................................................................................................... 37
1.3.2) Satellites de géantes gazeuses ............................................................................... 39
1.3.2.1) Titan ................................................................................................................. 39
1.3.2.2) Europe .............................................................................................................. 40
1.3.2.3) Autres satellites ................................................................................................ 41
1.3.3) Comètes .................................................................................................................. 41
1.3.4) Poussières interplanétaires .................................................................................... 44
1.3.5) Les météorites ........................................................................................................ 45
1.3.6) Mars ........................................................................................................................ 47
1.3.6.1) Introduction ..................................................................................................... 47
1.3.6.2) Chronologie des temps géologiques martiens ................................................ 48
1.3.6.3) Géologie et minéralogie martienne ................................................................. 49
a) Dichotomie crustale ............................................................................................... 49
Hauts plateaux du sud et silicates primaires ......................................................... 50
Basses plaines du nord et oxydes de fer................................................................. 54
b) L’eau et les minéraux produits par l’altération aqueuse ...................................... 56
ii
Sommaire
Phyllosilicates et autres silicates hydratés ............................................................. 60
Sulfates ................................................................................................................... 69
Carbonates ............................................................................................................. 72
Chlorures ................................................................................................................ 75
c) Nature oxydative du sol martien ........................................................................... 75
Perchlorates ........................................................................................................... 76
Peroxyde d’hydrogène ........................................................................................... 77
d) Nouvelle chronologie des temps géologiques martiens ....................................... 77
1.3.6.4) L’exobiologie martienne .................................................................................. 81
a) Implications de l’histoire géologique martienne pour la recherche de traces de
vie sur Mars ............................................................................................................... 81
b) Histoire de l’exobiologie martienne ...................................................................... 82
1.3.7) Conclusion ............................................................................................................... 86
1.4) Comment chercher : les méthodes d’extraction, d’analyse et de
fonctionnalisation ......................................................................................... 87
1.4.1) Les techniques d’extraction .................................................................................... 87
1.4.1.1) Méthodes d’extraction avec solvant ................................................................ 88
a) Extraction solide – liquide ..................................................................................... 88
b) Extraction assistée par ultrasons........................................................................... 89
c) Extraction par eau sous-critique ............................................................................ 89
d) Extraction par fluide supercritique (SFE) ............................................................... 90
e) Extraction en phase solide ..................................................................................... 90
f) Micro-extraction en phase solide ........................................................................... 91
1.4.1.2) Méthodes d’extraction sans solvant ................................................................ 91
a) Désorption/ionization laser ................................................................................... 91
b) Pyrolyse et hydropyrolyse ..................................................................................... 92
iii
Sommaire
c) Thermochemolyse ................................................................................................. 93
d) Thermodésorption / sublimation .......................................................................... 93
1.4.1.3) Focus sur les météorites et l’hydrolyse acide .................................................. 93
a) 1ère étape : extraction à l’eau ................................................................................ 95
b) 2ème étape : hydrolyse acide .................................................................................. 95
1.4.1.4) Conclusion ........................................................................................................ 99
1.4.2) La méthode d’analyse ............................................................................................. 99
1.4.2.1) Chromatographie échangeuse d’ions (IEC) .................................................... 100
1.4.2.2) Chromatographie en Phase Gazeuse couplée à la Spectrométrie de Masse
(CPG-SM) ..................................................................................................................... 101
1.4.2.3) Chromatographie en Phase Gazeuse couplée à la Spectrométrie de Masse de
Rapport Isotopique (GC-IRMS) .................................................................................... 103
1.4.2.4) Chromatographie en phase Liquide à Haute Performance avec Détection par
Fluorescence (HPLC-FD) .............................................................................................. 104
1.4.2.5) Conclusion ...................................................................................................... 105
1.4.3) La fonctionnalisation ............................................................................................ 106
1.4.3.1) Fonctionnalisation post-colonne ................................................................... 106
1.4.3.2) Fonctionnalisation pré-colonne ..................................................................... 107
a) Introduction ......................................................................................................... 107
b) Réactifs utilisés en HPLC-FD ................................................................................ 108
c) Réactifs utilisés en CPG ........................................................................................ 109
TFAA/Isopropanol et autres agents d’acylation/estérification ............................ 110
N,N-diméthylformamide diméthyl-acétal (DMF-DMA) ....................................... 112
Tetramethylammonium (TMAH) .......................................................................... 113
N-méthyl-N-tert-butyldiméthylsilyltrifluoroacétamide (MTBSTFA) ..................... 113
1.4.3.3) Conclusion ...................................................................................................... 115
iv
Sommaire
1.4.4) Conclusion ............................................................................................................. 115
1.5) Problèmes liés aux protocoles d’extraction et de fonctionnalisation ... 116
1.5.1) Impact de l’hydrolyse acide en phase liquide sur la récupération des acides
aminés ............................................................................................................................. 116
1.5.1.1) Introduction ................................................................................................... 116
1.5.1.2) La dégradation des acides aminés au cours de l’hydrolyse acide ................. 117
a) Le tryptophane et la cystéine .............................................................................. 118
b) Les autres acides aminés ..................................................................................... 119
c) Problèmes généraux ............................................................................................ 122
d) La correction des pertes ...................................................................................... 123
1.5.1.3) Données quantitatives obtenues par le travail sur des standards ................ 124
1.5.1.4) Implications concernant les acides aminés météoritiques ............................ 127
1.5.2) Impact de la minéralogie martienne sur la fonctionnalisation au MTBSTFA,
minéralogies choisies et analogues utilisés .................................................................... 130
1.5.2.1) Impact de la minéralogie sur la fonctionnalisation au MTBSTFA : ................ 130
1.5.2.2) Minéralogies choisies ..................................................................................... 132
1.5.2.3) Analogues utilisés ........................................................................................... 133
a) Atacama (sol oxydant) ......................................................................................... 134
b) Svalbard (minéral hydraté) .................................................................................. 135
c) Rio Tinto (sels hydratés) ...................................................................................... 136
1.5.3) Conclusion ............................................................................................................. 136
1.6) Conclusion ............................................................................................ 137
1.7) Références ........................................................................................... 138
Chapitre II : Impact de l’hydrolyse acide sur le recouvrement des
acides aminés. Application à l’extraction des acides aminés issus de
météorites / sols analogues martiens ......................................... 159

v
Sommaire
2.1) Introduction ......................................................................................... 159
2.2) Produits, matériels et méthodes .......................................................... 159
2.2.1) Produits ................................................................................................................. 159
2.2.2) Fonctionnalisation au MTBSTFA dans du DMF ..................................................... 161
2.2.3) La séparation par chromatographie en phase gazeuse : optimisation ................ 164
2.2.3.1) Théorie des plateaux, efficacité d’une colonne chromatographique et
grandeurs de rétention ............................................................................................... 165
2.2.3.2) Théorie cinétique et équation de Van Deemter - Golay ................................ 167
2.2.3.3) Détermination de la vitesse optimale de la phase mobile ............................ 168
2.2.3.4) Séparation chromatographique et détection des acides aminés .................. 169
2.2.4) La détection et l’identification par spectrométrie de masse ............................... 171
2.2.4.1) Le spectromètre de masse ............................................................................. 171
2.2.4.2) Librairie de masses spectrales et informations structurelles sur les dérivatifs
..................................................................................................................................... 174
2.2.5) L’hydrolyse acide .................................................................................................. 178
2.2.5.1) Protocoles d’analyse de la solution de référence et de la solution hydrolysée
..................................................................................................................................... 178
2.2.5.1.1) La référence ............................................................................................. 178
2.2.5.1.2) L’hydrolyse .............................................................................................. 179
a) Protocole n°1 : HCl 6M, 100°C, 24h ................................................................. 179
b) Protocole n°2 : HCl 6M, température ambiante, 0h (contact rapide avec une
solution de HCl 6M) .............................................................................................. 179
c) Protocole n°3 : HCl 6M, 100°C, 24h, avec addition de fluorovaline ................. 180
2.2.5.2) Protocole de fonctionnalisation et d’injection .............................................. 180
2.3) Résultats et interprétations ................................................................. 180
2.3.1) Analyse du chromatogramme de référence ......................................................... 181
vi
Sommaire
2.3.2) Influence de la procédure d’hydrolyse sur les quantités d’acides aminés
(protocole n°1) ................................................................................................................ 187
2.3.3) Influence du chauffage pendant la procédure d’hydrolyse (protocole n°2) ........ 194
2.3.4) Résumé et comparaison des protocoles n°1 et 2 ................................................. 198
2.3.5) Influence des sels générés pendant l’hydrolyse (protocole n°3) ......................... 201
2.3.6) Comparaison de nos résultats avec les études précédentes ............................... 203
2.4) Discussion ............................................................................................ 204
2.4.1) Hypothèse n°1 : dégradation des acides aminés par hydrolyse ........................... 205
2.4.2) Hypothèse n°2 : autres facteurs ........................................................................... 208
2.4.2.1) Réduction du rendement de la fonctionnalisation causée par la présence
d’ions Cl- lors de la fonctionnalisation ........................................................................ 208
a) Mécanisme de la silylation au MTBSTFA ............................................................. 208
b) Mécanisme de la réduction du rendement de la fonctionnalisation par les ions Cl-
................................................................................................................................. 211
c) Perspectives ......................................................................................................... 214
2.4.2.2) Silylation incomplète des acides aminés ou production d’artéfacts ............. 216
2.4.2.3) Pertes en acides aminés lors de l’étape d’évaporation ................................. 217
a) Pertes par ébullition / dégradation thermique ................................................... 217
b) Formation de liaisons peptidiques lors de l’évaporation .................................... 217
2.4.2.4) Pertes liées à la présence de sels d’ammonium ............................................ 219
2.5) Conclusion ............................................................................................ 219
2.6) Références ........................................................................................... 221
Chapitre III : Influence de la minéralogie sur la réaction de
fonctionnalisation au MTBSTFA .................................................. 224

3.1) Introduction ......................................................................................... 224
vii