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Génodique

L2 Mineure Environnement, UE Projet

Gajanaa Kenkatharan, Maylis Leterrier, Maxence Deroome

  1. Résumé du projet : 

Notre projet s's’intéresse à la théorie de la génodiquenodique, proposédéveloppée à partir de 1970 par le physicien français Joël Sternheimer (1943-2023), élève de Louis de Broglie, lauréat du prix Nobel de Physiquephysique en 1929 pour ses découvertestravaux sur les ondes de matière. Le principe de laCette théorie estrepose sur l’idée d’utiliser la séquence sonoresonore, (ou lumineuse)lumineuse, associée aux acides aminés d’une protéine cibléecible pourafin d’en stimuler la stimuler,biosynthèse, ou au contraire de l’inhiber parau moyen d’une séquence miroire.miroir. C’estIl les’agit “du « procédé de régulation épigénétique de la biosynthèse d’une protéine par résonance d'd’échelle”chelle ». On utiliseConcrètement, les longueurs d'd’onde de De Broglie deattribuées à chaque acide aminé de la protéine poursont la transcriretraduites en une mélodielodie, appelée “« protéodie”odie », ou en une séquence de flashflashs lumineux.

Dans le cadredomaine de l'l’agroécologie par exemple,cologie, cette théorie permetpourrait notamment permettre d’optimiser leles rendementrendements agricoleagricoles paren renforçant la protection des plantationscultures auface aux stress biotiquebiotiques et abiotiqueabiotiques, ettout àen l’augmentationfavorisant duleur potentiel de croissance.

FaceDans auun contexte marqué par le changement climatique et auxpar les limites de l'l’agriculture conventionnelle marquée par un— usage intensif d'd’engrais, l'appauvrissement des sols et la pollution chimique,chimique —, la génodique apparaît comme une alternativepiste prometteused’innovation :prometteuse, à la fois non invasive, durable et économique.

L’objectif de ce projet est de tester scientifiquement cette méthode parau moyen d’une expérience en laboratoire portant sur la germination de graines de petits pois soumissoumises à un stress hydrique. Nous reprendrons le protocole mis au point dans l’étude intitulée « Diffusions of Sound Frequencies Designed to Target Dehydrins Induce Hydric Stress Tolerance in Pisum Sativumsativum SeedingsSeedlings » , publiée dans la revue Heliyon,Heliyon (vol. 6, no 9, septembre 2020.2020). Cette étude àa été menée par Victor Prevost, ingénieur chez Genodics. DePar plus,ailleurs, nous aimerionssouhaiterions également observer les installationsdispositifs installés sur le terrain depar l’entreprise chezGenodics, Genodicsdirectement chez un agriculteur.agriculteur partenaire.

Ce projet s's’inscrit dans une démarche interdisciplinaireinterdisciplinaire, mêlantà la croisée de la biologie, de la physique et des sciences de l’environnement. Il vise à évaluer rigoureusementavec rigueur la théorie de la génodique, une approche encore marginale, mais richeporteuse en d’innovations potentielles pour l'l’agriculture de demain.


  1. II. Protocole de mise en œuvre du projet

    PROTOCOLE

DE
    PLANTATION

  1. 1) Se laver les mainsmains.

  2. 2) SortiePréparer le matériel : vermiculite, bac àde tremper,trempage, cadre de drainage, multi multi-plantoir, 4quatre quarts de godet,godet graineset graines.

  3. 3) Peser les graines pourafin avoirde constituer quatre groupes de 16 autourgraines, depour une masse d’environ 4,23g23 g par groupe (~soit environ 0,28g28 chacune)g par graine).
    Noter dans le poidscahier la masse de chaque groupegroupe, surpuis leles cahier etclasser du plus lourd au moinsplus lourdléger eten attribuerleur attribuant les couleurs bleu, gris, rouge,rouge orangeet orange.
    JeterÉcarter les plus petites grainesgraines, àjugées lanon poubelle, pas significativessignificatives.

  4. 4) Remplir les bacs de vermiculite aà rabordras bord, sans tassertasser, etpuis les peserpeser.

  5. 5) Remplir le bac à d’eau àavec un volume d'eau précis permettentpermettant une immersion des godets jusqu’à la moitié de leur hauteur(àhauteur l'oeil)(4L ici). SiVérifier si possible vérifierl’horizontalité leà niveaul’aide avec d’un niveau à bullebulle, pourafin s'assurerde quegarantir laune hauteur de la colonne d'd’eau est homogènene.

  6. 6)Mettre Mettreles bacs à tremper les bacs dans l'eaul’eau, sur les cadres de drainagedrainage, =>pendant environ 3045 secondessecondes, pour un volume compris entre 825 et 875ml875 d'mL d’eau par bac.
    Secouer ensuite les bacs jusqu’à ce qu’aucune eau ne s’écoule. Cela correspond, dans nos conditions, à environ 850 mL d’eau par bac. Secouer jusqu'à ne pas avoir d'eau qui sorte, cela correspond à envrion 850ml d'eau pour nous. Ajuster si besoinnécessaire le niveau d'd’eau. 

    PS

    7. : la hauteur de la colonne d'eau est importante car P=m*g*h. Plus la colone d'eau est haute, plus l'eau va arriver rapidement à la surface de la vermiculite (loi de l'hydrostatique) 

  7. 9) Noter la masse des bacs humides pourafin avoirde déterminer la masse d'd’eau (absorbée, par différence de masse entre l'étape 9la masse humide et l'étape 4)la masse sèche)che mesurée précédemment.

  8. 10) Se laver les mains avant de manipuler les grainesgraines, etpuis faireréaliser les trous avecà lel’aide multiplantoirdu (multi-plantoir.
    Les trous dedoivent avoir une profondeur correspondant à la moitié de la hauteur de vermiculitevermiculite, soit 3cmenviron de3 profondeurcm ici)dans ce protocole.

  9. 11) Déposer les graines au fond des trous,trous. lesLes pousserenfoncer si besoinnécessaire avecà l’aide d’une pince ou ledu dos d'd’un crayon proprepropre.

  10. 12)Reboucher Bien rebouchersoigneusement les trous pour ne pas avoirtrous, de troumanière d'airà éviter toute poche d’air, sans pour autant tasser la vermiculitevermiculite.

  11. 13) MettrePlacer les bacs dans la chambre de culture, toujours dans le même ordre et centrés sur la grillegrille.

  12. 14) Sécher et ranger le matérielriel, puis nettoyer la paillasse paillasse.

SI DIFFUSIONS DE PROTEODIES

Remarque : La hauteur de la colonne d’eau est un paramètre important, car elle influence la remontée de l’eau dans la vermiculite : plus cette hauteur est importante, plus l’eau atteint rapidement la surface.


15)

  1. Renommer "son01"en son01.wav le fichier .wavaudio decorrespondant à la protéodie à diffuser une fois par jour pendant la semaine semainede germination.

  2. Noter la taille du fichier en octets afin de germination

    16) Noter son poids en octet pour pouvoir savoir si c'est le fichier témoin, d'inhibition ou de stimulationidentifier, à la fin de l'l’expérience.rience, s’il s’agit du fichier témoin, d’inhibition ou de stimulation.

  3. 17)Une Unefois le protocole de plantation fini,terminé, brancher le haut haut-parleur et le chargeur au système de diffsuiondiffusion, etpuis insérer la carte SD dans le micro contrômicrocontrôleur.

  4. 18) Vérifier que le son nommé "coucou"coucou.wav (— ici un bruit d'oiseau)d’oiseau — est jouébien pourlu, s'afin de s’assurer quedu lebon fonctionnement du système de diffsuion est fonctionneldiffusion.

  5. 19) Refermer la chambre de culture,culture. laLa protéodie sera jouédiffusée 5cinq minutes après le "coucou"son coucou, puis toutes les 24H24 heures.

 

  1. PROTOCOLEPrendre DEdes RECOLTEPhotosphotos des pousses avant toute manipulation.
    1)

    Écrire
    2. nombre
  2. de

    Sortir joursles / heures de pousse
    2) Sortirgermes un par unun.

    les
    3. germes
    3)
  3. Écrire

    Noter, pour chaque bac, le nombre de graines pourris: pourries (P)+, non germéses (NG), ouayant n'etantgermé mais n’ayant pas sortiémergé de la vermiculite (A).

  4. 4) Si possiblepossible, aligner les alignergermes sur une planche paren respectant leur position d’origine ou leur ordre de sortiesortie, (enpar exemple du haut à gauche vers le bas adroit, droite) etpuis prendre une photophotographie (avec une règle visible)visible.
    Cela pourpermettra voird’observer si certaines zones poussentprésentent mieuxune meilleure croissance ou pourrissedavantage plusde pourriture au fil des protocoles.
    5)

    Mesurer

  5. Mesurer, pour chaque germe : la longeurlongueur de chaquela tige, la longueur de chaquela racine tendues etétendue, la masse de chaquela grainegraine, avecà l’aide d’une balance de précision au moins au centième de gramme.gramme au minimum.
    Pour les mesures de taille,longueur, arrondir au demi demi-centimètre et s'arretermesurer jusqu’au milieu de la graine.
    6)

  6. Peser tousl’ensemble lesdes germesgermes, etpuis diviser la masse totale par leur nombre afin d’obtenir la masse moyenne.

  7. 7) Calculer les moyennes des différentes mesures et vérifier que la moyenne de la somme dudes poidsmasses de chaque graineindividuelles est prochecohérente avec la masse totale mesurée à l’étape 6.

Remarque : pour les deux derniers protocoles, quelques germes représentatifs de la massemoyenne deseront toutescongelés lesen graines (étape 6)

NB: Pour les 2 derniers protocoles, nous congeleons quelques germes "dans la moyenn" pourvue de futurs testtests ElisaELISA et Western blot.

 

  1. Excel

Les données seront saisies et traitées sous Excel.

CalculL’analyse ENOVA

statistique

Comparaisonreposera dessur une ANOVA, afin de comparer les moyennes desobtenues moyennespour deles chaquedifférents protocoleprotocoles (témoin, inhibition, stimulation), avecainsi que leurs marges d'erreurd’erreur. pourCette voiranalyse permettra d’évaluer si lales théorierésultats observés soutiennent ou non, dans le cadre de cette étude, l’hypothèse de la génodique est vérifiée ou non dans notre étude.nodique.


  1. FabLab de Grigny et de la Sorbonne



Le soudage du système de diffusion et du haut parleur ont été faits au FabricoLab de Grigny avec l'aide du FabMangerFabManager Florian Becker. Florian a réalisé les 4 systèmes de diffusion pour les 4 petites chambres de culture qu'utilise l'entreprise Genodics dans son laboratoire expérimental à la MEN (maison des enfants et de la nature) de Grigny. 

Concrètement, nous avons utilisé un post de soudure avec de l'étain pour souder les broches de fixation, pour accrocher le xiao esp32s3 à la plaque de cuivre, l'adaptateur jack à l'ampli I2S et les fils éléctroniqueslectriques au haut parleur (avec rallonguesrallonges protégées par des manchons).

Florian nous a également envoyé le code Arduino pour le microcontroleur,microcontrôleur, joint dans les fichiers. Nous l'avons améliorerlioré à l'aide de Chatgpt plus.

  1. :

Le micro contrômicrocontrôleur ESP32 devientagit comme un lecteur audio autonome. DèsLors quedu premier démarrage du boîtier, le boîtier est branché, le haut haut-parleur dans la chambre de culture émet le son “coucou”« coucou », un bruit d'oiseau,d’oiseau permettant de contrôler que tout est fonctionnel. Après 5 minutes, il joue le fichier “son01” qui contient la protéodie de 40 secondes jouée pendant 5 minutes et se met en veille. Il se rallume 24 heures après pour rejouer chaque jour là protéodie. 

Paramètres de code :

Le code commence par définir quelles broches servent pour lire la carte SD où sont stockés les fichiers audio, et quelles broches servent à envoyer les informations sonores à la l'amplificateur pour avoir un son audible sur le haut parleur de 5 ohms. La variable bootCount permet de donner un ordre. Le code distingue deux cas : la valeur 1 (au premier démarrage) joue le son coucou et la valeur 2 joue le son01 qui est la protéodie (à la fin de la diffusion de coucou puis chaque 24 heures). Les “time set” sont exprimées en secondes.


Pendantvérifier que le sonsystème joue,fonctionne le programme vérifie en permanence combien de temps s’est écoulé grâce à une fonction qui lit le temps depuis le démarrage.correctement. Une fois que lece son est terminé et que cinq minutes se sont écoulées, le code déclenche le deep sleep, c’est-à-dire que, l’ESP32appareil se met en veille totale pour économisercompléter une durée totale de l’énergie,5 minutes (lecture comprise).

Au réveil suivant, et il programmera de se réveiller automatiquement 24 heures plus tard. Pourpour tous les démarragescycles suivantssuivants, (bootCountl’ESP32 ≥ 2), le code ouvrelit le fichier « son01.wav,wav lit», saqui duréecorrespond deà la même manière et le joue entièrement.protéodie. Une fois lela morceaulecture terminé,e, il se remetmet en veille pour compléter un cycle total de 24 heures,heures. Le dispositif se réveille ensuite automatiquement chaque jour pour rejouer cette protéodie de manière autonome.

Le code définit d’abord les broches utilisées pour la communication avec la carte microSD (stockage des fichiers audio) ainsi que celles utilisées pour l’interface I2S qui envoie le signal audio vers l’amplificateur, lui-même connecté à un haut-parleur (environ 5 ohms).

Contrairement à la version précédente, le code n’utilise plus un compteur de démarrage (bootCount), mais une variable persistante en mémoire RTC (premierDemarrage). Cette variable permet de distinguer uniquement deux états :

  • premier démarrage → lecture de « coucou.wav »

  • démarrages suivants → lecture de « son01.wav »

Les durées de cycle (5 minutes et ainsi24 heures) sont exprimées en secondes et utilisées pour programmer le temps de suite,veille.

tous
    les
  1. jours.

    Gestion de la lecture audio et du temps

Lors de la lecture d’un fichier audio, le programme calcule sa durée en analysant l’en-tête du fichier WAV. Il mesure ensuite le temps écoulé depuis le début de la lecture pour déterminer quand le son est terminé.

Une fois la lecture terminée, le programme ajuste la durée de veille afin que la somme « temps de lecture + temps de veille » corresponde exactement à la durée cible (5 minutes ou 24 heures). Cela permet de conserver un rythme stable malgré la durée variable des fichiers audio.

Pendant toute la lecturelecture, du son, unela fonction appelée audio.loop() s’est appelée en continu. Elle assure quel’envoi lesfluide des données audio arriventvers correctementl’amplificateur auI2S, petitgarantissant amplificateur,un son continu sans interruption.

  1. Gestion de l’énergie

À la fin de chaque cycle, le microcontrôleur entre en « deep sleep » (veille profonde). Dans ce quimode, permetla auconsommation électrique est très faible. L’ESP32 programme son propre réveil à l’aide d’êtreun continuminuteur etinterne.

fluide.

La Lefonction codedédiée utiliseà égalementla desveille petitsprofonde calculsajuste pourautomatiquement ajusterla durée de sommeil en fonction de la durée réelle du sonfichier audio et compenserapplique un léger facteur de petitescorrection imprécisionspour danscompenser leles tempsdérives de l’ESP32.horloge Enfin, la fonction modeVeille() est responsable de mettre la carte en sommeil profond et de définir combien de temps elle doit rester en veille avant de se réveiller automatiquement. Ainsi, le boîtier peut fonctionner toute une année avec un minimum d’énergie, en jouant un son chaque jour sans intervention humaine.interne.

  1. EnRésumé

    résumé,
    2. ce

Ce code ArduinoArduino, transféréchargé parsur câblel’ESP32 USBvia dans le micro contrôleurUSB, permet  la lecture automatique de deux fichiers audiosaudio “coucou”(« coucou.wav » et “son01”« auson01.wav format”.wav”») d'stockés sur une carte SD.microSD. L'Le système joue un son de test au premier démarrage, puis une protéodie une fois par jour. L’amplificateur rougeaudio permet de gérerrestituer lesle paramètresson sonoressur etun haut-parleur, tandis que la gestion de garder enla mémoire combienRTC et du deep sleep assure un fonctionnement autonome, économe en énergie et sans intervention humaine sur de foislongues l’appareil a été utilisé tout en mettant en veille le dispositif une fois la diffusion journalière de 5 minutes terminée. Tout cela se fait automatiquement dès que l'on branche le boîtier au secteur et la carte SD.durées.


  1. Modèle 3D pour protéger le système de diffusion 

Les boitiers pour protéger le micro contrôleur et le haut parleur ont également été envoyé par Florian et imprimés à la Sorbonne sur les imprimantes Prusa MK4S avec du filament PLA+. Tous les codes STL des modèles 3D ont été fait avec OpenScad playground et Gemini.


Pour avoir nos propres godets sur-mesure et solidaires, nous avons choisi de les imprimer en 3D.

Les dimensions d'une grille de la chambre de culture sont de 55*54*7cm. Un pot plastique pour faire germer des graines est traditionnellement de taille 6*6*6cm.6 cm environ.

Les imprimantes 3D disponibles au FabLab prototypage sont des Raise3D Pro2 et des Prusa MK4S avec un plateau d’impression de taille 30*30cm.30*20cm. Nous choisissons d'utiliser les Prusa car elles sont plus rapides et bien plus fiables. Il faudra imprimer plusieurs morceaux de godets pour ne pas dépasser dule plateau d'impression.

Pour répondre à ces différents critères de taille, le plus simple a été d’imprimer quatres morceaux cubiques de 4*4 godets chacun. Un godet a pour dimensions 5*5*6cm avec des parois séparatrices de 1,2mm et un fond de 2,4mm.4mm d'épaisseur. Ces parois pleines sont assezsuffisamment rigides pour résister aux contraintes exercées par la vermiculite humide.

Il y a donc au total 64 godets en réunissant les quatres quarts pour chaque semaine de germination.


Code du modèle 3D

À l'aide de Gemini nous avons codé sur OpenSCAD le modèle 3D pour un quart de plaque. Ce modèle a été exporté au format STL. Nous avons ajouté cinq petits trous au fond des godets pour mieux répartir l’humidité tout en permettant un apport maximum d'oxygène aux racines.


// --- PARAMÈTRES GÉOMÉTRIQUES ---

$fn = 60; // résolution des trous

nb_X = 4; 

nb_Y = 4;

cote_interieur = 55.0; // 5.5cm x 5.5cm

ep_mur = 1.2;           // équivalent à 3 passages de buse de 0.4mm

ep_fond = 2.4;         // Fond robuste pour supporter la vermiculite humide 

h_utile = 60.0;        // 6cm de profondeur

d_trou_fond = 3;   // diamètre des trous de drainage


// --- CALCULS DE STRUCTURE ---

largeur_totale = (nb_X * cote_interieur) + ((nb_X + 1) * ep_mur);

longueur_totale = (nb_Y * cote_interieur) + ((nb_Y + 1) * ep_mur);

hauteur_totale = h_utile + ep_fond;


// --- CONSTRUCTION ---

difference() {

    // Bloc plein principal

    cube([largeur_totale, longueur_totale, hauteur_totale]);


    for (x = [0 : nb_X - 1]) {

        for (y = [0 : nb_Y - 1]) {

            // Positionnement précis de chaque godet

            px = ep_mur + x * (cote_interieur + ep_mur);

            py = ep_mur + y * (cote_interieur + ep_mur);


            // Évidement du godet

            translate([px, py, ep_fond])

                cube([cote_interieur, cote_interieur, h_utile + 1]);


            // 5 Trous au fond pour le drainage

            translate([px + cote_interieur*0.25, py + cote_interieur*0.25, -1])

                cylinder(h=ep_fond+2, d=d_trou_fond);

            translate([px + cote_interieur*0.5, py + cote_interieur*0.5, -1])

                cylinder(h=ep_fond+2, d=d_trou_fond);

            translate([px + cote_interieur*0.75, py + cote_interieur*0.75, -1])

                cylinder(h=ep_fond+2, d=d_trou_fond);

            

            }

        }

    }

}


Pour le premier prototype nous avons renseigné nbX=1 et nbY=1 pour imprimer 1 godet test.


Les raccourcis F5 permettent de prévisualisation du modèle, F6 permet d'avoir le rendu avec calcul des arrondis et enfin F7 pour exprimer le code en format STL compatible avec un slicer.


Le modèle doit ensuite être envoyé dans le “slicer” compatible avec l’imprimante utilisée, “prusa slicer” pour les imprimantes Prusa. Le “slicer” permet de transformer un modèle prusa3D sliceren danscode notrefichier cas..bgcode ou .gcode pour l’imprimante. Ce logiciel permet de spécifier tous les réglages que l'imprimante doit utiliser lors de l'impression.

De ce que nous avons compris :

sachant que la buse de l'imprimante fait 0,4mm4 mm il faut renseigner 3 dans “périmètres” pour que les parois de 1,2mm soient pleines. L'imprimante passera 3 largeur de buse.

Pour le fond de 2,4mm4 mm avec 3 périmètres il reste 1mm1 mm vide qui est comblé par le “remplissage” choisi a 20% et en mode “Gyroid” qui crée des nervures aléatoires pour solidifier sans combler totalement le vide.


Vient ensuite le choix crucial des vitesses d'impression. Il faut choisir le bon compromis entre une impression rapide, solide, nette et sans effondrement selon l'objet imprimé et les caractéristiques de l'imprimante. La Prusa est optimisée pour être précise malgré les vibrations engendrées par la vitesse. Nous avons donc choisi ??? 

100 périmètres, 80 périmètres externes …

Nous avons aussi diminué l'accélération de déplacement de 4000 à 2000mm/1000mm/s^2 pour ne pas q

provoquer


trop de vibrations lorsque le plateau bouge

Enfin le troisième type de réglage important est la température d'impression qui dépend surtout du type de filaments utilisé. Le filament basique est le PLA, bioplastique issu d'amidon de maïs ou de canne à sucre. Il est poreux et rigide, parfois cassant et déformable au-dessus de 50 degrés celsius. Il y a ensuite le PLA+ plus solide et étanche grâce à des additifs (élastomères ou minéraux) c'est celui ci que nous avons choisi pour maximiser les chances de réussite de l'impression.

Il faut vérifier que les paramètres de température par défaut sont bien à 60 degrés pour le plateau et 220 degrés pour la base afin que le PLA+ ne soit ni trop solide ni trop liquide lors de l'impression et qu'il ne crée pas trop de tension quand il refroidit..


  1. Impression

Pour débuter l'impression, il faut exporter le modèle avec ses paramètres d'impression au format bgcode puis mettre le fichier dans une clé USB et la brancher à l'imprimante.

Enfin, il faut lancer le préchauffage de l'imprimante puis sélectionner le bgcode de la clé avec la molette ou l'écran tactile. 

Pour un tel objet d'une durée d'impression autour de 20 heures, il est nécessaire de contrôler la première heure d'impression pour s'assurer que les couches de la base soient bien imprimées et collées au plateau sinon la suite de l'impression sera forcément un échec. 


La moitié du temps correspond au remplissage des parois externes pleines. Chaque quart consomme autour de 250g de PLA+

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