Development of microfluidic systems to characterize microbial communities trapped in glacial archives

Les carottes de glace servent de capsules temporelles inestimables, préservant les gaz dissous, les signatures chimiques et les matériaux biologiques provenant de périodes anciennes. En analysant les gaz piégés, les chercheurs peuvent reconstruire la composition de l'atmosphère terrestre passée et déduire les tendances climatiques historiques, telles que les fluctuations de température. Au-delà des études atmosphériques, les carottes de glace offrent un potentiel inexploité pour la recherche microbiologique. Les micro-organismes encapsulés dans ces archives gelées fournissent une information unique sur les écosystèmes anciens, permettant aux scientifiques d'étudier la diversité microbienne, les adaptations évolutives et les réponses aux changements environnementaux sur des millénaires. L'analyse microbienne conventionnelle des carottes de glace consiste généralement à faire fondre la glace, puis soit à filtrer les micro-organismes pour une analyse de l'ADN, soit à cultiver et séquencer directement l'eau fondue sans aucune sélection préalable parmi les grands volumes de matière de départ. Bien que cette approche fournisse un aperçu général de la biodiversité, elle manque de la résolution fine nécessaire pour isoler et étudier des communautés microbiennes spécifiques et établir une correspondance avec les marqueurs atmosphériques et de température. Cette lacune met en évidence la nécessité de développer de nouvelles techniques de traitement pouvant séparer sélectivement certains organismes de la fonte de glace, tout en respectant la chronologie des événements, correspondant à une séquence spatiale dans la carotte de glace.Dans cette thèse, nous avons développé un dispositif microfluidique basé sur le déplacement latéral déterministe (DLD) spécifiquement destiné à trier les champignons et les bactéries à partir des échantillons de fonte de neige. Le DLD est une technique de tri de particules largement utilisée en microfluidique. Elle permet un tri continu et sans marquage des particules en fonction de leur taille et est reconnue pour son faible coût, sa robustesse et sa haute résolution.Cette étude explore la faisabilité d'utiliser le DLD pour trier les petites particules, en particulier celles ayant un diamètre inférieur à 5 μm, dans des échantillons d'eau de fonte de glace. Un défi majeur réside dans la faible concentration microbienne inhérente à ces échantillons, ce qui entrave la détection à l'aide de méthodes conventionnelles telles que les compteurs Coulter ou la microscopie optique. De plus, les contraintes pratiques liées à la microfabrication des dispositifs DLD, ainsi que les écarts entre les diamètres critiques théoriques et expérimentalement observés, présentent des obstacles supplémentaires pour obtenir une séparation des particules fiable et précise.Nous avons développé et validé notre dispositif en utilisant des billes et des échantillons biologiques modèles pour démontrer son fonctionnement. Dans la phase finale, de l'eau issue de fonte de neige a été traitée par le dispositif DLD. Les résultats de séquençage ont confirmé que le dispositif a amélioré la détection de taxons microbiens rares dans la communauté initiale de la fonte de neige et a permis une séparation efficace des bactéries.Ces résultats suggèrent que cette méthode présente un potentiel pour améliorer la détection de la diversité microbienne dans les échantillons de fonte de neige. Cependant, des expériences supplémentaires utilisant des échantillons environnementaux sont nécessaires pour valider l'efficacité et la fiabilité du processus de tri biologique.