Microfluidique dans l'espace pour détecter les signatures de vie extraterrestre et surveiller la santé des astronautes.

15 juin 2023 fonctionnalité

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par Thamarasee Jeewandara, Phys.org

Dans un nouveau rapport publié dans npj Microgravity, Zachary Estlack et une équipe de recherche en génie mécanique et sciences spatiales de l'université de l'Utah et de l'université de Californie à Berkeley, ont développé un analyseur organique microfluidique pour détecter des signatures de vie au-delà de la Terre et pour surveiller cliniquement la santé des astronautes. L'équipe a effectué de nombreux tests environnementaux dans diverses atmosphères gravitationnelles pour confirmer la fonctionnalité de l'analyseur et son niveau de préparation technologique. 

Les scientifiques planétaires ont simulé des environnements de conditions de gravité lunaire, martienne, zéro et hypergravitationnelles habituellement rencontrés lors d'un vol parabolique pour confirmer la fonctionnalité de l'analyseur microfluidique. Les résultats de l'étude ouvrent la voie à l'intégration d'instruments microfluidiques dans une gamme d'opportunités de missions spatiales.

Les microfluidiques présentent une innovation technique majeure pour la recherche biomédicale in vitro. Le concept convient également à l'astrobiologie pour les analyses de vol spatial des signatures biologiques en régulant les volumes de fluide à l'échelle nano/micro lors d'investigations biochimiques hautement sensibles, tout en conservant une empreinte physique minime. Par conséquent, les instruments miniatures sont spécifiquement intéressants pour analyser les empreintes biologiques de la vie extraterrestre.

Les scientifiques planétaires ont déjà recueilli et étudié de manière approfondie des échantillons de glace des lunes Encelade et Europa de Saturne et de Jupiter avec des dispositifs microfluidiques. De tels instruments analytiques sont également utiles pour surveiller la santé de l'équipage. Bien que les systèmes de bioanalyse microfluidiques soient encore en développement, les bioingénieurs visent à améliorer leur sensibilité gravitationnelle et leur efficacité énergétique pour l'exploration spatiale in situ reconfigurable et compacte.

Estlack et ses collègues ont développé un système analyseur organique microfluidique (MOA) avec un réseau programmable de micro-ondes (PMA) intégré aux microcanaux en verre et un système de détection de fluorescence induite par laser (LIF). Pendant le développement de l'analyseur organique, ils se sont concentrés sur un système d'instrument de format de vol de niveau de préparation technologique pour évaluer la maturité du dispositif pour la commercialisation, le cas échéant pour le vol spatial, pour identifier les analytes d'intérêt.

Ce travail met en lumière les résultats des deux premiers vols d'une série de cinq vols en micropesanteur, pour évaluer les performances des microfluidiques en micropesanteur. Les réseaux de vannes microfluidiques ont aidé à la préparation et à la régulation des échantillons dans l'instrument, à étiqueter automatiquement, incuber et livrer les échantillons à une puce d'électrophorèse capillaire intégrée et à détecter la fluorescence induite par laser dans le même cadre. En tout, l'instrument intégrait un analyseur organique microfluidique, un réseau d'analyseurs de valves microfluidiques contenant une puce intégrée pour la détection de fluorescence induite par laser, et une suite de capteurs.

La recherche a étudié les paramètres fonctionnels généraux pendant le vol pour garantir que tous les environnements de test étaient surveillés et régulés. Lorsque la simulation de l'avion a augmenté, la pression a chuté et a entraîné une baisse générale de la température, ce qui a influencé l'instrument microfluidique. Cependant, les changements de paramètres opérationnels ont eu un impact minimal sur les performances globales de l'instrument.

Estlack et son équipe ont mené des analyses de débit pendant les périodes de gravité lunaire, martienne et hypergravitationnelle du vol. Ils ont noté des variations du débit de reflux initial et du débit de pointe avec une gravité accrue. Les résultats des simulations ont montré que l'environnement gravitationnel avait eu un impact minimal sur les performances de l'instrument.

Sur la base de la capacité de contrôle de volume précis dans une variété de conditions gravitationnelles, l'équipe a effectué des dilutions automatisées pour déterminer les performances des instruments pour les tests futurs de matrices de biomarqueurs. Ils ont réalisé trois étapes de la séquence de dilution et les ont enregistrées pendant le vol.

During the first two stages, they transferred a buffer and a fluorophore to a storage well in desired ratios. During the final stage, they loaded a microvolume of the diluted fluorophore into built-in detection channels and transferred it past the fluorescence detector via vacuum. The experiments performed under microgravity or Martian gravity corresponded to a specific dilution sequence and showed little variation.

The space scientists and bioengineers integrated the results from the first two flights to improve the Technology Readiness of the microfluidic organic analyzer. Their successful performance under microgravity justified their inclusion in spaceflight missions. For instance, with decreasing gravity, the pumping performance of the instrument remained constant, although increased gravity impaired the instrument in the microvalve array region, nevertheless, the organic analyzer remained unaffected throughout varying conditions.

The study outcomes highlighted the suitability of the instrument for applications that detect and determine extraterrestrial chemical and biochemical analytes. The insensitivity of the instrument towards a gravitational field under simulated conditions in the lab justified its suitability for space deployment.

In this way, Zachary Estlack and colleagues studied the technology readiness level of a microfluidic instrument for space missions to explore extraterrestrial biochemical signatures and monitor astronaut health in the future. The lessons learned from this first flight will impact future planned analyses under microgravity and hypergravity, which include investigations of capillary electrophoresis and astronaut crew health monitoring via simulated clinical assays to reveal biomarkers of specific interest.

The outcomes of these studies and the planned future flights will reveal the diverse capacity of the instruments during and after completing the planned space missions.

Journal information: Proceedings of the National Academy of Sciences

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