Kalina Grabb, étudiante au programme conjoint MIT-WHOI, présente la dernière version de DISCO dans un laboratoire Watson à WHOI. Crédit :Daniel Hentz, Institution océanographique de Woods Hole
Des chercheurs de la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) ont conçu et testé avec succès un appareil portable, DISCO, qui a effectué les premières mesures in situ d'un type d'oxygène hautement réactif, connu sous le nom de superoxyde, qui peut jouer un rôle essentiel dans la santé des récifs coralliens. Leurs découvertes ont été publiées dans un article de première vue le 29 octobre dans le journal of Sciences et technologies de l'environnement .
Le superoxyde est un produit chimique réactif qui est un sous-produit dans tous les organismes respiratoires et photosynthétiques. Cette forme instable d'oxygène, ou des espèces réactives de l'oxygène (ROS), est enclin à voler ou à donner des électrons. En conséquence, le superoxyde est connu pour catalyser des réactions chimiques pouvant conduire au cancer et à d'autres maladies - l'une des nombreuses raisons pour lesquelles les régimes alimentaires d'aujourd'hui insistent sur l'incorporation d'aliments riches en antioxydants, comme les bleuets, noix ou chocolat noir. Cependant, dans de nombreux organismes, y compris les coraux, la nature du superoxyde peut être plus compliquée.
"Auparavant, [le superoxyde] était seulement considéré comme toxique, " dit la chimiste marine de l'OMSI Colleen Hansel, un co-auteur de l'étude. "Mais nous savons maintenant qu'il est utilisé pour de nombreux processus bénéfiques. Dans les champignons, des plantes et même des animaux, le superoxyde est important pour la réponse immunitaire d'un organisme [par exemple]. Cette [logique] n'a pas encore vraiment été transférée à la vie marine."
Hansel et son équipe ont étudié l'interaction du produit chimique avec les micro-organismes symbiotiques qui habitent les récifs coralliens. Des preuves préliminaires suggèrent que même si les coraux peuvent ne pas être immunisés contre les effets toxiques du superoxyde lorsqu'il atteint des concentrations élevées à l'intérieur de leurs cellules, ils peuvent également utiliser le produit chimique en dehors de leurs cellules pour des raisons bénéfiques, comme une défense contre les infections marines – dont certaines peuvent être stimulées par des températures océaniques plus chaudes.
"Le superoxyde aux organismes se reflète comme une sorte d'effet Boucle d'or, " dit Kalina Grabb, l'auteur principal de l'étude et étudiant du programme conjoint WHOI-MIT dans le laboratoire de Hansel. "Vous n'en voulez pas trop car cela peut entraîner un stress oxydatif, mais vous n'en voulez pas trop car c'est essentiel pour les fonctions physiologiques."
La scientifique de l'OMSI, Colleen Hansel, plonge dans les coraux des récifs des jardins de la Reine à Cuba avec le premier modèle de DISCO, qui signifie DIver-operated Submersible Chemiluminescent sensor. Crédit :Ashlee Lillis, Institution océanographique de Woods Hole
Jusque récemment, la nature éphémère du superoxyde a rendu incroyablement difficile l'échantillonnage dans l'environnement marin – le produit chimique ne dure que quelques minutes dans l'eau de mer. Cela ne laissait traditionnellement pas le temps de transférer des échantillons d'eau à un laboratoire pour une analyse adéquate. À la fois, d'autres systèmes embarqués étaient lourds à utiliser et ne pouvaient être utilisés que dans des environnements très sélectionnés.
Pour surmonter ces limites, L'ingénieur WHOI Jason Kapit et le scientifique WHOI Scott Wankel ont travaillé en étroite collaboration avec Hansel et son laboratoire pour développer le premier capteur chimioluminescent submersible portable au monde. ou DISCO. Avec ça, ils ont pu échantillonner les concentrations de superoxyde en temps réel lors d'un voyage de recherche en 2017 dans le système récifal vierge de Cuba, Jardines de la Reine.
L'appareil portatif boxy comprend une batterie scellée à l'eau et un écran de tablette que les plongeurs peuvent opérer en profondeur. À l'intérieur, les pompes fluidiques captent le produit chimique invisible tel que les coraux le produisent. DISCO ajoute ensuite un produit chimique au mélange qui réagit avec le superoxyde pour créer une lumière mesurable, lu par un capteur embarqué. Armé de ces outils, DISCO a détecté des différences notables dans les niveaux de superoxyde entre les espèces de coraux lors de son premier test sur le terrain.
"Maintenant, nous voulons pouvoir comprendre le pourquoi, " ajoute Hansel. "Pourquoi fabriquent-ils délibérément du superoxyde et cela aide-t-il le corail ou est-ce lié au stress d'une manière ou d'une autre?"
Depuis sa création, DISCO a été repensé pour devenir encore plus portable et léger. En 2018, Hansel, Wankel et Kapit ont collaboré sur une autre itération de l'appareil, cette fois à environ la moitié de la taille et du poids de son prédécesseur. L'équipe a également adapté DISCO dans une version en haute mer connue sous le nom de SOLARIS pour accompagner le submersible occupé par l'homme de WHOI, ALVIN. En octobre 2019, ils ont pu utiliser SOLARIS pour détecter le superoxyde produit par les coraux à 1, 300 mètres de profondeur (~4, 200 pieds) le long du mont sous-marin Davison au large de la côte centrale de la Californie.
"Nous parlons déjà de ce que nous pouvons faire ensuite avec cette technologie, " dit Hansel. "Comment pouvons-nous construire de nouveaux capteurs qui incorporent d'autres espèces réactives de l'oxygène pour bien comprendre leur rôle dans la santé des organismes et la chimie des océans ? Je ne vois pas de fin en vue."
