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Un nouveau programme informatique peut lire n’importe quelle séquence du génome et la décoder

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Un nouveau programme informatique peut lire n’importe quelle séquence du génome et la décoder

Yekaterina « Kate » Shulgina était une étudiante de première année à la Graduate School of Arts and Sciences, à la recherche d’un court projet de biologie computationnelle afin de pouvoir vérifier les exigences de son programme de biologie des systèmes. Elle se demandait comment le code génétique, autrefois considéré comme universel, pouvait évoluer et changer.

C’était en 2016 et aujourd’hui, Shulgina est sortie à l’autre bout de ce projet à court terme avec un moyen de déchiffrer ce puzzle génétique. Elle le décrit dans un nouvel article de recherche dans la revue eLife Avec le biologiste de Harvard Sean Eddy.

Le rapport détaille un nouveau programme informatique capable de lire la séquence du génome d’un organisme, puis de déterminer son code génétique. Le programme, appelé Codetta, a le potentiel d’aider les scientifiques à approfondir leur compréhension de l’évolution du code génétique et à interpréter correctement le code génétique des organismes nouvellement séquencés.

« C’est en soi une question fondamentale en biologie », a déclaré Shulgina, qui fait ses recherches supérieures dans le laboratoire d’Eddie.

Le code génétique est l’ensemble de règles qui indiquent aux cellules comment interpréter les ensembles de nucléotides de trois lettres en protéines, souvent appelées les éléments constitutifs de la vie. Presque toutes les créatures vivantes de bactéries coli Pour les humains, il utilise le même code génétique. C’est pourquoi on croyait autrefois que le code était gravé dans la pierre. Mais les scientifiques ont découvert une poignée de valeurs aberrantes – ; Les organismes qui utilisent des codes génétiques alternatifs – se trouvent là où l’ensemble d’instructions diffère.

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C’est là que Codetta peut vraiment briller. Le programme pourrait aider à identifier davantage d’organismes à l’aide de ces codes génétiques alternatifs, contribuant ainsi à jeter un nouvel éclairage sur la façon dont les codes génétiques pourraient changer en premier lieu.

Comprendre comment cela se produit nous aidera à concilier pourquoi nous pensions à l’origine que cela était impossible… et comment ces processus de base fonctionnent réellement. « 

Yekaterina « Kate » Shulgina

Déjà, Codetta a analysé les séquences du génome de plus de 250 000 bactéries et autres organismes unicellulaires appelés archées pour des codes génétiques alternatifs, et en a identifié cinq qui n’avaient jamais été vus auparavant. Dans les cinq cas, le code d’acide aminé pour l’arginine a été réinitialisé à un acide aminé différent. On pense que c’est la première fois que les scientifiques voient cet échange dans des bactéries et pourraient faire allusion aux forces évolutives qui entrent dans la modification du code génétique.

Les chercheurs disent que l’étude représente le plus grand examen des codes génétiques alternatifs. Codetta a analysé pratiquement tous les génomes disponibles de bactéries et d’archées. Le nom du programme est un croisement entre des codons, une séquence de trois nucléotides qui forme des morceaux de code génétique, et la pierre de Rosette, une plaque de roche inscrite en trois langues.

Le travail représente un moment culminant pour Shulgina, qui a passé les cinq dernières années à développer la théorie statistique derrière Codetta, à écrire le programme, à le tester, puis à analyser le génome. Il fonctionne en lisant le génome d’un organisme, puis en tirant parti d’une base de données de protéines connues pour produire un code génétique potentiel. Elle diffère des autres méthodes similaires en raison de la taille avec laquelle elle peut analyser les génomes.

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Shulgina a rejoint le laboratoire d’Eddie, spécialisé dans la comparaison des génomes, en 2016 après être venu lui demander conseil sur l’algorithme qu’elle concevait pour interpréter les codes génétiques.

Jusqu’à présent, personne n’a fait une étude aussi large des codes génétiques alternatifs.

« C’était génial de voir de nouveaux codes, car malgré tout ce que nous savions, Kate ferait tout le travail et il n’y aurait pas de nouveaux codes à trouver », a déclaré Eddy, qui est également enquêteur médical chez Howard Hughes. Il a également noté que le système pourrait être utilisé pour assurer l’exactitude des nombreuses bases de données de séquences de protéines.

« De nos jours, de nombreuses séquences de protéines dans les bases de données ne sont que des traductions conceptuelles de séquences d’ADN génomique », a déclaré Eddy. « Les gens creusent dans ces séquences de protéines à la recherche de toutes sortes de choses utiles, comme de nouvelles enzymes ou de nouveaux modificateurs de gènes, etc. Vous voulez que les séquences de protéines soient précises, mais si un organisme utilise un code non standard, il le fera. Traduisez mal ».

Les chercheurs disent que la prochaine étape du travail consiste à utiliser Codetta pour rechercher des codes alternatifs dans les virus, les eucaryotes et les génomes organométalliques tels que les mitochondries et les chloroplastes.

« Il y a encore tellement de diversité dans la vie que nous n’avons pas encore fait cet examen systématique », a déclaré Shulgina.

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Les scientifiques examinent le calcul du réservoir chimique à l’aide de la réaction formose

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Les scientifiques examinent le calcul du réservoir chimique à l’aide de la réaction formose

Présentation schématique de l’ordinateur de réservoir Formos. Droits d’auteur : nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07567-x

Des chercheurs de l’Institut des molécules et des matériaux de l’Université Radboud aux Pays-Bas ont démontré qu’un réseau complexe et auto-organisé de réactions chimiques peut effectuer diverses tâches informatiques, telles que la classification non linéaire et la prédiction de dynamiques complexes.

Le domaine de l’informatique moléculaire intéresse les chercheurs qui souhaitent exploiter la puissance de calcul des systèmes chimiques et biologiques. Dans ces systèmes, les réactions chimiques ou les processus moléculaires agissent comme un ordinateur réservoir, convertissant les entrées en sorties de grande dimension.

recherche, Publié dans naturedirigé par le professeur Wilhelm Hock de l’Université Radboud.

Les chercheurs ont exploité l’énorme potentiel offert par les réseaux chimiques et biologiques en raison de leurs capacités informatiques complexes. Cependant, la mise en œuvre du calcul moléculaire pose des défis en termes d’ingénierie et de conception.

Plutôt que d’essayer de concevoir des systèmes moléculaires pour effectuer des tâches informatiques spécifiques, le professeur Hook et son équipe explorent comment des systèmes chimiques naturellement complexes peuvent présenter des propriétés informatiques émergentes.

« Je suis très intéressé par les forces chimiques motrices qui ont donné naissance à la vie. Dans ce contexte, nous recherchons des mécanismes par lesquels l’évolution chimique peut façonner les propriétés de mélanges réactionnels complexes. Cette recherche nous a incité à réfléchir à la manière dont les systèmes moléculaires sont capables. pour traiter les informations », dit-il à Phys.org.

Interaction de Formose

La réaction au formaldéhyde est une réaction chimique dans laquelle des sucres sont synthétisés à partir du formaldéhyde en présence d’un catalyseur, l’hydroxyde de calcium. Cette réaction a été choisie en raison de ses propriétés uniques.

« Bien que la chimie puisse sembler complexe aux yeux des étrangers, la plupart des séquences de réactions sont assez linéaires. La réaction formose est le seul exemple d’un réseau de réactions auto-organisé avec une topologie hautement non linéaire, contenant de nombreuses boucles de rétroaction positives et négatives », a expliqué le professeur Hook.

En d’autres termes, la réaction n’est pas simple et aboutit à de multiples composés intermédiaires qui réagissent davantage pour former de nouveaux composés. Ces réactions dynamiques peuvent donner naissance à diverses espèces chimiques et sont de nature non linéaire.

De plus, le réseau comprend des boucles de rétroaction positives qui amplifient les résultats de la réaction, et des boucles de rétroaction négatives qui affaiblissent les résultats de la réaction.

Le réseau est dit « auto-organisé » car il se développe naturellement et réagit aux intrants chimiques sans nécessiter d’intervention extérieure, produisant une variété de résultats.

Les capacités informatiques émergent des propriétés inhérentes au réseau plutôt que d’être explicitement programmées, ce qui rend l’informatique très flexible.

Les scientifiques examinent le calcul du réservoir chimique à l'aide de la réaction formose

Mémoire et prédiction dans l’ordinateur du réservoir Formos. Droits d’auteur : nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07567-x

Implémentation d’un ordinateur de réservoir

Les chercheurs ont utilisé un réacteur à cuve mobile continue (CSTR) pour réaliser la réaction formose. Les concentrations d’entrée de quatre réactifs (formaldéhyde, dihydroxyacétone, hydroxyde de sodium et chlorure de calcium) sont contrôlées pour modifier le comportement du réseau réactionnel.

La molécule résultante est identifiée à l’aide d’un spectromètre de masse, ce qui permet de suivre jusqu’à 106 molécules. Ce paramètre peut être utilisé pour les calculs, où les concentrations de réactifs sont la valeur d’entrée pour toute fonction qui doit être calculée.

Mais d’abord, le système doit être entraîné pour trouver le résultat de ce calcul, qui est effectué à l’aide d’un ensemble de poids.

« Nous devons trouver un ensemble de poids qui convertissent les traces dans le spectromètre de masse en la valeur correcte pour le calcul. Il s’agit d’un problème de régression linéaire et mathématiquement simple. Une fois cela fait, l’ordinateur du réservoir calcule le résultat pour cette fonction. pour toute nouvelle contribution », a expliqué le professeur Hook.

Les poids sont des coefficients qui déterminent l’effet de chaque entrée sur la sortie. Cette étape de formation est essentielle car elle permet au réservoir d’apprendre et de prédire comment les changements dans les entrées affecteront la sortie afin de pouvoir prédire la sortie d’un nouvel ensemble d’entrées.

Capacités informatiques

Les chercheurs ont utilisé l’ordinateur du char pour effectuer plusieurs tâches. La première tâche consistait à effectuer des tâches de classification non linéaire. L’ordinateur du réservoir pourrait simuler toutes les portes logiques booléennes et même gérer des classifications plus complexes telles que XOR, les contrôleurs, les circuits et les fonctions sinusoïdales.

L’équipe a également montré qu’elle pouvait prédire le comportement du modèle de réseau métabolique complexe d’E. coli, en capturant avec précision les réponses linéaires et non linéaires aux entrées fluctuantes dans différentes plages de concentrations.

De plus, il a été démontré que le système est capable de prédire les états futurs d’un système chaotique (l’attracteur de Lorenz), en prédisant avec précision deux des trois dimensions d’entrée plusieurs heures dans le futur.

L’équipe de recherche a également découvert que certaines espèces chimiques du système ont une mémoire à court terme, conservant des informations sur les entrées précédentes.

Ils ont également démontré une preuve de concept pour une lecture chimique complète utilisant des réactions colorimétriques, montrant comment l’état d’un système peut être interprété sans appareils de mesure électroniques.

En d’autres termes, l’état du système peut être interprété à l’aide des changements de couleur résultant de réactions chimiques, éliminant ainsi le besoin d’appareils de mesure électroniques.

Les origines de la vie, l’informatique neuronale et au-delà

Cette nouvelle approche de l’informatique moléculaire pourrait contribuer à combler le fossé entre les systèmes artificiels et les capacités de traitement de l’information des cellules vivantes.

Cela suggère une approche plus évolutive et flexible de l’informatique moléculaire, ouvrant la possibilité de créer des systèmes chimiques autonomes capables de traiter les informations et de réagir à leur environnement sans contrôle électronique externe.

Le professeur Hook a exprimé l’intérêt de son équipe pour ce domaine en déclarant : « Pouvons-nous intégrer l’informatique de réservoir dans des systèmes chimiques qui détectent leur environnement, traitent ces informations et prennent les mesures appropriées ?

« Cela nécessitera de relier le réservoir à d’autres éléments capables de traduire les productions chimiques du cerveau en une forme de réponse mécanique ou en interaction avec des cellules vivantes, par exemple. »

Cette recherche a également des implications intéressantes concernant l’origine de la vie. Les propriétés informatiques émergentes de ce système chimique relativement simple pourraient donner un aperçu de la manière dont les premiers systèmes biologiques ont pu développer des capacités de traitement de l’information.

Le professeur Hook a déclaré que c’était sa principale motivation pour étudier l’arithmétique des chars.

L’équipe de recherche voit également un grand potentiel dans l’informatique neuromorphique, qui imite la structure neuronale et la fonction du cerveau humain pour améliorer l’efficacité et la puissance des calculs.

« Nous sommes très intéressés par l’exploration des frontières technologiques de la puissance de calcul dans un ordinateur à réservoir flou – il s’agit d’une recherche en cours en collaboration avec IBM Zurich. Le calcul en réservoir est un exemple d’informatique neuronale qui a gagné en intérêt car il devrait consommer moins d’énergie. que les ordinateurs conventionnels », a expliqué le professeur Hauck.

Plus d’information:
Matthieu J. Baltussen et al., Calcul du réservoir chimique dans un réseau réactionnel auto-organisé, nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07567-x

© 2024 Web de la science

la citationDes scientifiques montrent le calcul du réservoir chimique à l’aide de la réaction formose (13 juillet 2024). Extrait le 13 juillet 2024 de https://phys.org/news/2024-07-scientists-chemical-reservoir-formose-reaction.html

Ce document est soumis au droit d’auteur. Nonobstant toute utilisation équitable à des fins d’étude ou de recherche privée, aucune partie de celui-ci ne peut être reproduite sans autorisation écrite. Le contenu est fourni à titre informatif uniquement.

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Développement de nouveaux aptamères d’ADN de mélanopsine pour réguler les rythmes circadiens

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Développement de nouveaux aptamères d’ADN de mélanopsine pour réguler les rythmes circadiens

résumé:

Les aptamères d’ADN de mélanopsine qui régulent l’horloge des rythmes biologiques ont été développés par l’Université de technologie de Toyohashi et le groupe de l’Institut national des sciences et technologies industrielles avancées (AIST).

Les aptamères d’ADN peuvent se lier spécifiquement aux biomolécules pour moduler leur fonction, ce qui en fait des agents thérapeutiques idéaux pour les oligonucléotides. Nous avons examiné l’aptamère ADN mélanopsine (OPN4), un photopigment bleu de la rétine qui joue un rôle clé dans l’utilisation des signaux lumineux pour réinitialiser la phase des rythmes circadiens de l’horloge centrale.

Tout d’abord, 15 aptamères d’ADN de mélanopsine (Melapts) ont été identifiés après huit cycles de Cell-SELEX en utilisant des cellules exprimant la mélanopsine sur la membrane cellulaire. Une analyse fonctionnelle ultérieure de Melapt a été réalisée dans une lignée cellulaire de fibroblastes exprimant de manière stable à la fois Période 2:ELuc et la mélanopsine en déterminant dans quelle mesure ils réinitialisent la phase des rythmes circadiens des mammifères en réponse à la stimulation de la lumière bleue. Période 2 L’expression rythmique a été surveillée sur une période de 24 heures Période 2 : ELuc: Thymidine kinase (TK):OPN4 Fibroblastes stables exprimant la mélanopsine. À l’aube, quatre mélaptes ont avancé leur phase de> 1, 5 h, tandis que sept mélaptes ont retardé leur phase de> 2 h. Un petit nombre de mélaptes a induit un déphasage d’environ 2 h, même en l’absence de stimulation lumineuse, peut-être parce que les mélaptes ne peuvent influencer que partiellement les signaux d’entrée pour le déphasage. De plus, quelques mélaptes ont provoqué des déphasages dans Période 1:: Des souris transgéniques luc (Tg) ont été utilisées pour surveiller les rythmes circadiens à travers… Période 1 Expression rythmique.

Ces aptamères d’ADN pourraient avoir la capacité d’affecter la mélanopsine In vivoEn résumé, les aptamères Melapts peuvent réguler avec succès le signal d’entrée et le déphasage (à la fois avance de phase et retard de phase) des rythmes circadiens des mammifères. dans le laboratoire Et In vivo.

détails:

Améliorer indirectement le cycle veille-sommeil en manipulant la capacité de la mélanopsine à transmettre des signaux à l’horloge centrale serait socialement et économiquement bénéfique.

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La mélanopsine est une protéine photoréceptrice exprimée dans les cellules ganglionnaires de la rétine qui absorbent la lumière bleue avec une absorption maximale de 477 nm. La mélanopsine est connue pour jouer un rôle important dans la réinitialisation de phase de l’horloge circadienne des mammifères par la lumière bleue et dans l’expression rythmique des gènes de l’horloge, par ex. Période 1,2 (Par1,2). La phase de l’horloge circadienne moléculaire est réinitialisée et dépend du moment de la stimulation lumineuse et de l’induction de la lumière transitoire. Pour chaque 1 Par les photorécepteurs de la mélanopsine (Figure 1). Récemment, les antagonistes de la mélanopsine acquis grâce au criblage chimique de bibliothèques chimiques contribuent principalement au retard de phase du rythme.

Dans cette étude, nous avons utilisé l’évolution cellulaire systématique des ligands par la méthode d’enrichissement exponentiel (Cell-SELEX) pour identifier les aptamères d’ADN (ADN simple brin ; ADNsb) qui provoquent un déphasage de la mélanopsine dans les rythmes circadiens. Au total, 15 aptamères de mélanopsine (Melapts 1 à 15) ont été analysés pour évaluer leur capacité à déphaser les rythmes circadiens. Par2::ELuc oscillations vitales dans Par2:ELuc:TK:Mel cellules stables, où suit le rapporteur biologique Par2 La région promotrice qui contrôle l’amplificateur de la luciférase émet une couleur verte à partir de Periarinus tremeteluminans, avec une expression accrue de la mélanopsine sous le contrôle du promoteur de la thymidine kinase (TK). Dans ces lignées de fibroblastes stables, la voie de signalisation est intégrée dans un fibroblaste imitant la voie de signalisation allant de la rétine à l’horloge centrale (noyau ou noyaux suprachiasmatiques : SCN) par la mélanopsine (Figure 2).

Les aptamères d’acide nucléique sont des molécules d’ARN/ARN courtes et simple brin qui peuvent se lier sélectivement à des cibles, protéines, peptides et autres molécules spécifiques, et peuvent être utilisées en clinique pour modifier la fonction des molécules cibles. Les principaux avantages de ces aptamères incluent leur spécificité cible élevée, leur immunogénicité et leur facilité de synthèse.

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Parmi les 15 aptamères d’ADN de mélanopsine (Melapts), quatre melapts ont provoqué une avance de phase et sept melapts ont provoqué un retard des rythmes circadiens (de > 1,5 h et > 2 h, respectivement) chez Par2::Lignée cellulaire ELuc. Un petit nombre de cellules Melapts ont induit des déphasages d’une durée d’environ 2 h, même en l’absence de photostimulation dans le laboratoire.

Melapt04 et Melapt10 ont induit une avance ou un retard de phase circadienne d’environ 3 heures, respectivement, dans CT22 et CT8 pendant le processus d’entrée du signal lumineux. Cela suggère que Melapt04 régule la phase des rythmes circadiens et facilite le sommeil et l’éveil, principalement par la progression des phases (Figure 3-5). Il existe deux types de mélaptes qui avancent et retardent le déphasage dans la même direction, quel que soit le moment du stimulus lumineux. Cependant, les trois Melaptes ont avancé et retardé le déphasage dans des directions opposées à l’aube et au crépuscule. Par conséquent, ces Melaptes devraient être utiles dans la régulation des phases des rythmes (Figures 6,7).

Nous avons joué In vivo Expériences similaires à dans le laboratoire Expériences visant à déterminer si la liaison de Melapt à la mélanopsine dans la rétine s’étendant jusqu’au noyau suprachiasmatique affecte les déphasages de l’horloge centrale du noyau suprachiasmatique. Pour chaque 1::Luc Souris transgéniques : des souris qui Pour chaque 1::Luc Le gène recombiné a été inséré dans le génome de toutes les cellules. Pour chaque 1::Luc C’est un gène recombiné Pour chaque 1 La région promotrice suit l’enzyme luciférase dérivée de la luciole en tant que rapporteur pour surveiller les rythmes circadiens.

Huit types de réponses de déphasage provoquant Melapt Par2 Des rythmes d’expression lors d’expériences in vitro ont été injectés dans des follicules oculaires Pour chaque 1:: souris Luc Tg à CT22 (Figure 8, 9). Melapt01, Melapt03, Melapt04, Melapt07, Melapt09 et Melapt10 ont montré des capacités de transformation de phase similaires à celles de Par2:ELuc:TK:Cellules stables Mel: In vivo Et dans le laboratoire.

L’effet de Melabit sur la transformation de phase dans… In vivo Les expériences peuvent être prédites à partir de dans le laboratoire De plus, des déphasages brutaux de trois heures ont été identifiés chez des animaux intacts, quel que soit l’ampleur de l’avance ou du retard des mélaptes dans Par2:Eluk:TK:Cellules de Mel.

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En conclusion:

En résumé, Melapts a pu réguler les signaux d’entrée et les déphasages pour obtenir une avance et un retard de phase dans les rythmes circadiens des mammifères. dans le laboratoire Et In vivo.

Les mélaptes pourraient contribuer aux recherches futures axées sur la réinitialisation des phases circadiennes. Les mélaptes pourraient nous aider à mieux nous adapter aux cycles de vie sociale modernes, permettre d’optimiser les cultures et les animaux domestiques pour une plus grande productivité et aider les travailleurs postés à surmonter le décalage social en ajustant les phases circadiennes. Ces mélaptes pourraient contribuer à réinitialiser la phase des horloges circadiennes dans les voies d’entrée photosynthétiques.

Organisme de financement:

Cette étude a été financée par un financement de recherche de TechnoPro Inc. TechnoPro R&D et le programme de parrainage des Jeunes Chercheurs en Recherche Interdisciplinaire de Pointe (RN). Le financement pour les scientifiques de Keban (n° RN 24590350 et 20H00614) a été obtenu de la Société japonaise pour la promotion de la science (JSPS), de la Mitsubishi Science Foundation (à RN) et d’une subvention de recherche pour l’innovation en science et technologie à l’Université de Toyohashi. de technologie (à RN). Cette étude a également été soutenue par le ministère de l’Éducation, de la Culture, des Sports, de la Science et de la Technologie du Japon (YN 21H02083).

source:

Référence dans le magazine :

Nakazawa, K. et autres(2024). Les aptamères d’ADN de mélanopsine peuvent réguler les signaux d’entrée des rythmes circadiens des mammifères en modifiant la phase de l’horloge moléculaire. Frontières des neurosciences. est ce que je.org/10.3389/fnins.2024.1186677.

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Un chercheur développe une méthode pour convertir la chaleur en énergie pour les engins spatiaux

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Un chercheur développe une méthode pour convertir la chaleur en énergie pour les engins spatiaux

La source d’énergie développée par Yi Cheng, professeur à la Northeastern University, utilisera la chaleur perdue générée par les équipements spatiaux et la lumière du soleil qui n’atteint pas la Terre.

Le tir à la tête de Ye Cheng.
Yi Cheng, professeur adjoint de génie mécanique et industriel, mène des recherches sur le toit de Snell Engineering le 7 juin 2021. Photo : Robbie Wallau/Northeastern University

Un chercheur de la Northeastern University développe un dispositif qui capte la chaleur perdue des équipements spatiaux et la lumière solaire réfléchie et la transforme en source d’énergie pour les vaisseaux spatiaux et les rovers martiens de l’US Air Force.

« Même si cela ne peut fournir que 10 à 15 % d’énergie de secours pour l’électronique, nous pouvons prolonger la durée de vie de l’électronique et du vaisseau spatial », dit-il. Yi Chengprofesseur agrégé de génie mécanique et industriel et directeur du Nanoscale Energy Laboratory de Northeastern.

Cheng travaillera sur le dispositif thermique en collaboration avec Faraday Technology, une société basée dans l’Ohio spécialisée dans le développement de technologies d’ingénierie électrochimique appliquée pour le gouvernement américain et les clients commerciaux.

« Notre objectif est de concevoir un absorbeur et un émetteur thermique hautes performances capables d’absorber, de convertir et d’émettre de l’énergie à la longueur d’onde souhaitée », explique Cheng.

Il affirme que cette technologie serait adaptée aux voyages spatiaux à court et à long terme, notamment à une utilisation sur la Lune, sur Mars ou même sur des satellites lancés depuis notre galaxie.

Au cours des dernières années, Cheng a développé des matériaux pour la récupération et le stockage de l’énergie, les déchets d’énergie et les nanomatériaux.

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Il affirme que la principale source d’énergie dans l’espace est généralement le soleil, avec des panneaux solaires haute performance convertissant la lumière du soleil en énergie pour alimenter les équipements spatiaux.

La source d’énergie développée par Cheng utilisera la chaleur perdue générée par les équipements spatiaux et dissipée dans l’espace, ainsi que la lumière du soleil qui n’atteint pas la Terre et est réfléchie par l’atmosphère.

Cheng affirme que les engins spatiaux et les équipements spatiaux doivent fonctionner dans des conditions extrêmes : des températures extrêmement basses (généralement moins 554 degrés Celsius ou moins 270 degrés Celsius) et un vide quasi total. De plus, la conduite d’engins spatiaux nécessite des ressources énergétiques.

« Nous ne pouvons pas simplement libérer un autre réservoir d’oxygène [for example] « Pour voyager, explique Cheng.

Les appareils électroniques fonctionnant sur des vaisseaux spatiaux ou sur des surfaces à haute température produiront un rayonnement thermique, ou lumière infrarouge, invisible à l’œil nu mais pouvant être détecté comme une sensation de chaleur sur la peau, explique Cheng. Cette chaleur se dissipera dans l’espace et sera perdue.

La chaleur résiduelle existe presque partout, y compris sur Terre, explique Cheng. Par exemple, un moteur chaud ou un four chauffé à haute température dissipe également une partie de cette chaleur.

Cheng affirme que la récupération de cette énergie a été étudiée au cours des dernières décennies et que son équipe appliquera des techniques récemment développées dans la conception de son système thermique.

Premièrement, les chercheurs testeront différents matériaux et surfaces artificiels – respectivement appelés métamatériaux et métasurfaces – afin d’utiliser l’absorbeur de chaleur proposé. Les métamatériaux ont certaines propriétés que l’on ne remarque pas dans les matériaux naturels. Ils n’existent pas naturellement sur Terre, ils doivent donc être fabriqués à l’échelle nanométrique en laboratoire, explique Cheng.

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Selon Cheng, le problème avec les matériaux courants est qu’ils n’ont pas de propriétés d’absorption ou d’émission élevées aux longueurs d’onde requises pour l’énergie infrarouge. Cheng dit que la longueur d’onde de la lumière infrarouge se situe entre 1,5 et 2,5 micromètres, ce qui est environ 12 à 24 fois inférieur au diamètre d’un cheveu humain.

«Cela nécessite donc un travail théorique et expérimental de la part de notre groupe», dit-il. « En fait, mes intérêts de recherche se concentrent sur le réglage actif et dynamique des propriétés thermiques, rayonnantes et optiques. [of materials] ». »

« Nous devons également équilibrer le poids et le coût », explique Cheng. « Nous devons équilibrer beaucoup de choses. Ainsi, étant donné le choix limité de matériaux utilisés dans l’espace, cela nous a amené à réfléchir à l’utilisation de la nanotechnologie pour concevoir des matériaux fonctionnels en tant que dispositif thermique. »

Il affirme que même si la nanotechnologie, ou les nanomatériaux, coûte cher, elle fonctionne très bien. Sans nanotechnologie, il est impossible d’absorber des longueurs d’onde spécifiques dans des conditions extrêmes.

Cheng affirme que les scientifiques utilisent des matériaux résistants à la chaleur pour fabriquer des nanomatériaux, qui sont stables, ont un point de fusion élevé dépassant 2 700 degrés (ou 1 500 degrés Celsius) et une longue durée de vie.

Un bon candidat est le tungstène, un métal rare avec les points de fusion et d’ébullition les plus élevés parmi les éléments connus sur Terre, explique Cheng. Cheng ne s’appuie pas uniquement sur ce matériau, mais lorsqu’il est combiné avec d’autres matériaux, il peut être utile dans les conditions difficiles de l’espace.

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Cheng passe cet été en tant que membre du corps professoral de la NASA au Glenn Research Center de Cleveland. Il mène des recherches sur la gestion de la chaleur pour la campagne Artemis qui vise à ramener les Américains sur la Lune en préparation de la première mission habitée vers Mars.

« J’espère vraiment que ce que je fais pour l’Air Force et la NASA contribuera en fait aux futurs projets de voyages spatiaux plus longs », a déclaré Cheng.

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