The long term impact of ionising radiation on living systems

233 Pages·2017·3.36 MB·English

by  Nathanael Lampe

The long term impact of ionising radiation on living
systems
Nathanael Lampe
To cite this version:
Nathanael Lampe. The long term impact of ionising radiation on living systems. Nuclear Experiment
[nucl-ex]. Université Clermont Auvergne, 2017. English. NNT : 2017CLFAC011. tel-01626614
HAL Id: tel-01626614
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Submitted on 31 Oct 2017
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UNIVERSITE CLERMONT AUVERGNE

ECOLE DOCTORALE DES SCIENCES FONDAMENTALES
N° 909

THESE

présentée pour obtenir le grade de

DOCTEUR D UNIVERSITE

Spécialité : Physique

Par LAMPE Nathanael

B. Sci (Hons) B. Aero Eng (Hons)

The Long Term Impact of Ionising Radiation on
Living Systems
De l impact à longue terme des radiations ionisantes

sur les systèmes vivants

Soutenue publiquement le 5 mai 2017 devant la commission d examen.

Président : Dr Fabrice PIQUEMAL

Examinateurs : Dr Marie-Claude BORDAGE, Dr Marie DAVIDKOVA, Dr Marie DUTREIX,

Dr Aleksandra RISTIC-FIRA
Directeur de thèse : Vincent BRETON
Co-Directeurs de thèse : Dr David SARRAMIA, Dr Sébastien INCERTI
Like many others have said, I couldn’t have seen this far if not for the giants upon who’s
shoulders we all stand.
Comme on l’a dit, c’est seulement grâce aux géants qu’on regarde si loin.
前略、この文章は、日本語が読めるかどうかのテストです。
Abstract
All life on earth has adapted to an environment where there is a small, persistent, radiation
background interacting with cells. Unlike evaluating the clearly harmful effects of high
radiation doses, understanding the effects of this low persistent radiation dose on living
systems is incredibly difficult. We have attempted to study whether background radiation
is an important factor in evolution by conducting identical evolution experiments with
Escherichia coli in the Clermont-Ferrand Particle Physics Laboratory and the Modane
Underground Laboratory. Despite a 7.3 fold difference in the rate of interactions between
the radiation background and cells between the two environments, no significant difference
was found in the competitive fitness of the cell populations grown at each location. Using
simulations, we showed that the rate at which ionising radiation interacts with cells is one
hundred times less frequent than E. coli’s mutation rate in our experimental conditions,
supporting the contention that natural radiation has no strong evolutionary effect. To further
support this conclusion, we developed a mechanistic simulation for DNA damage as part
of the Geant4-DNA project. Using this application, we irradiated a model of an E. coli
genome, showing that for electron irradiation > 10 keV, the double strand break yield can
−1 −1
be reasonably estimated to be between 0.006−0.010 DSB Gy Mbp , depending upon
the modelling of radical scavenging. This is in agreement with experimental data, further
highlighting the small role natural ionising radation plays as a cause of mutations.
Résumé
La vie sur Terre s’est adaptée à un environnement où il y a un faible et persistent bruit de fond
radiatif qui interagit avec les cellules. Loin des effets clairement nocifs des radiations à haute
dose, il est difficile d’évaluer et de comprendre les impacts des faibles doses de la radioactivité
naturelle sur les systèmes vivants. Nous avons tenté d’étudier si le bruit de fond radiatif
est un facteur important dans l’évolution, en menant des expériences évolutives identiques
avec Escherichia coli au Laboratoire de Physique Corpusculaire de Clermont-Ferrand, et
au Laboratoire Souterrain de Modane. Malgré une différence d’un facteur 7,3 entre les
taux d’interaction des rayonnements ionisants avec les cellules dans les deux laboratoires,
aucune différence significative n’a pu être trouvée dans le fitness compétitif des populations
cellulaires évoluées dans chaque laboratoire. Par simulation, nous avons montré que le taux
d’interaction entre le bruit de fond radiatif et E. coli est cent fois plus faible que le taux de
mutations d’origine endémique, ce qui renforce l’hypothèse que les radiations naturelles ont
peu d’effet sur l’évolution. Dans le cadre du projet Geant4-DNA, nous avons développé
une application complète de simulation mécanistique des dommages radio-induits à l’ADN,
afin d’explorer davantage cette hypothèse. Avec cette application, on a irradié un modèle
du génome d’E. coli, montrant que pour l’irradiation par des électrons d’énergies > 10 keV,
−1 −1
le rendement des cassures double brin est de 0,006− 0,010 CDB Gy Mbp , selon le
modèle de piégeage des radicaux chimiques. Ce résultat est en accord avec des données
expérimentales, et souligne plus encore que les radiations ionisantes d’origine naturelle n’ont
qu’une contribution mineure aux mutations responsables de l’évolution.
Table of contents
List of figures xiii
List of tables xvii
Nomenclature xix
Summary 1
Synthèse 5
1 Introduction 9
1.1 A Brief Introduction to Low-Dose Radiation Biology . . . . . . . . . . . . 11
1.2 Biology in Underground Laboratories . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 The Laboratoire Souterrain de Modane . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.3 Evolution and Ionising Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.1 Some Basic Evolutionary Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.2 a fitness landscape for bacteria . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4 The Long Term Evolution Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5 Simulating the Impact of Radiation on DNA . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1.5.1 The Geant4-DNA Project . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
1.5.2 DNA Damage and the Radiolysis of Water . . . . . . . . . . . . . 34
1.6 Putting it all together . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2 Biological Experiments in Low Radiation Environments 39
2.1 Radiation Environments in Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.1.1 Radon in biological experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.1.2 Potassium in biological systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.1.3 Activity measurements for biological media . . . . . . . . . . . . . 44
2.2 Evaluating Dose in Different Environments . . . . . . . . . . . . . . . . . 45