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Quantifly is a student project for iGEM (MIT competition). Bacteria, on a drone, are able to detect and quantify atmospheric pollutants
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Quantifly: an innovative pollution measurement device

€2,060

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Our project : Quantifly

Quantifly
Quantifly

Our project, named Quantifly, allows a precise and quantitative analysis of the atmospheric pollution. In order to do so, our team is using a living cell able to detect air pollution. This biological system is embedded  into a drone controlled from a computer. This drone + biological system combination will be used as an innovative and precise mapping tool which allows the realisation of precision air quality analysis on a smaller scale that what currently exists, with quicker and more reliable results.

Notre projet, baptisé Quantifly permet l’analyse quantitative et précise de la pollution atmosphérique. Pour ce faire, notre équipe utilise une cellule vivante à même de détecter la pollution de l’air, embarquée dans un drone piloté par ordinateur. Ce dispositif sera utilisé comme outil de cartographie précis et innovant, permettant de réaliser des analyses de qualité de l'air sur une échelle réduite, en augmentant la rapidité d'obtention des résultats et leur exactitude.

Why Quantifly ?

Context of the project
Context of the project

Atmospheric pollution is a contemporary issue from which arise many questions and problematics. Indeed, besides its effects on health and environment, we are still not able to precisely quantify some of the toxic compounds present in the air. At the moment, only fixed stations can get those data. However, they have a low precision radius and cannot measure pollution in areas that are difficult to reach. To answer that issue, we propose to use biotechnologies and genetic engineering to conceive a genetically modified bacteria, loaded in a drone, capable of detecting Organic Volatile Compounds (OVC). These OVCs are a major issue for public health and environment, as they are known to have harmful effects on health and fertility

Contexte du projet
Contexte du projet

La pollution atmosphérique est un problème contemporain à partir de laquelle se pose beaucoup de questions et problématiques. En effet, outre ses effets sur la santé et l'environnement, nous ne sommes toujours pas en mesure de quantifier précisément les composés toxiques présents dans l'air. À l'heure actuelle, les stations fixes seulement peuvent obtenir ces données. Cependant, elles ont un rayon de précision faible et ne peut pas mesurer la pollution dans les zones qui sont difficiles à atteindre. Pour répondre à cette question, nous proposons d'utiliser les biotechnologies et le génie génétique pour concevoir une bactérie génétiquement modifiée, chargée dans un drone, capable de détecter des composés organiques volatils (COVs). Ces COVs, connus pour leurs effets cancérigènes et reprotoxiques, sont un enjeu majeur pour la santé publique et l'environnement.

Our Biosensor

Our biosensor
Our biosensor

Our expertise will focus on toluene, a commonly found OVC which average concentration is around 10,8 μg/m3 in urban areas. Relying on a bacteria that holds a genetic construction reacting to toluene, our project uses bioluminescence measurement to detect and quantify the levels of toluene in ambient air. This is a major innovation in the field of air quality measurement, with several notorious features: first, the measurement time needed by current measurement devices is counted in weeks, where our device gives results within a few hours. Then, we know that one of the big flaws of current measurement devices is their imprecision, which can go up to a 40% error rate, whereas our system offers a theoretical 0% error rate, the recognition of the pollutant by the molecule being very specific.
This is all made possible by the use of bioluminescence, the keystone of our project: where other reporters such as fluorescence and chromoproteins only give a yes/no feedback, bioluminescence is a new kind of reporter: it is a quantifiable signal, that allows us to determine how much pollutant there is in the environment by signal analysis.

Notre biosenseur
Notre biosenseur

 Notre expertise se concentrera sur le toluène, un COV répandu dont la concentration moyenne est d'environ 10,8 ug / m3 dans les zones urbaines. En se fondant sur une construction génétique déclenchée par la présence de toluène dans les bactéries, notre projet utilise la mesure de la bioluminescence pour détecter et quantifier les niveaux de toluène dans l'air ambiant. Ce système est une totale innovation par rapport aux moyens de détection du toluène actuellement existants, en comparaison desquels il a de multiples avantages: premièrement, la où le temps de détection requis est actuellement de plusieurs semaines, nous permettons l'obtention de résultats en quelques heures. De plus, les appareils de mesure actuels souffrent d'importants taux d'erreur, pouvant aller jusqu'à 40%, là où notre solution offre un taux d'erreur théorique de 0%, du fait de la reconnaissance spécifique du polluant par la molécule de détection.
Tout cela est permis par l'utilisation de la bioluminescence, clef-de-voûte de notre projet. D'autres types de reporteurs existent, comme les chromoprotéines ou la fluorescence, mais ils ne permettent qu'une réponse de type oui/non, tandis que la bioluminescence est un signal quantifiable nous permettant de définir les concentrations de polluants présentes dans l'air par analyse du signal.

 Areas of application & Future development

Areas of application
Areas of application

 Our project, once finished, could be used in a wide range of applications, the most obvious ones being environmental measurements and air quality monitoring. However, we know that the mapping features of our project can also be used for other purposes, such as leakage detection along a pipeline for example, which would be very useful in the industrial domain. We would also be able to perform pollution mapping on construction sites and small areas that would be an important data for the real estate market. We are also thinking about a lot of possible developments, such as changing the hardware (currently a drone) in order to make our cell suitable for indoor pollution detection, which is a constantly increasing concern. Even the biological device itself could be modified to allow the detection of different pollutants: all we have to do is to change the molecule responsible of the pollutant detection.

Domaines d'application
Domaines d'application


Notre projet, une fois terminé, pourra être utilisé dans de nombreux domaines, les plus évidents étant le suivi de la qualité aérienne et les mesures environnementales. Cependant, les possibilités de cartographie de notre projet pourraient être utilisées à d’autres fins, comme la détection de fuites de composés le long d’un pipeline, ce qui serait très utile dans le secteur de l’industriel. Nous serons également à même de réaliser des cartographies de pollution sur des chantiers ou des zones précises, ce qui pourrait avoir une grande importance dans le domaine de l’immobilier. Nous pensons également à de nombreux développements possibles, comme le remplacement du hardware actuel (le drone) par un dispositif rendant possible la détection de la pollution intérieure, un problème de plus en plus important. Enfin, même la cellule en elle-même peut être modifiée pour permettre la détection de différentes substances : il nous suffit de changer la molécule responsable de la détection pour changer le polluant détecté.

Drone engineering

Preview of our drone
Preview of our drone

We are currently developing a drone, aiming to act as a mobile detection platform. We know that, other than the problems that exists on detection platforms themselves, the imprecision of the existing measurements also comes from the fact that all the datas are based on triangulations carried out between the nearest meteorological stations. However, the need for precise readings is crucial: it has been shown that the widest range of air quality around a highway is measured in the 20 meters flanking it. Our drone, designed by the Engineering department of our team in order to perfectly fit our needs, will therefore allow us to perform on-field measurement so that we can precisely map the covered area. This ensures a measurement precision that has never been seen in the past.

Dans le cadre du projet Quantifly, nous sommes actuellement en train de développer un drone visant à tenir le rôle de plate-forme de détection mobile. En effet, outre les problèmes existants sur les moyens de détection eux-mêmes, l’imprécision des mesures vient également du fait que les données viennent d’une triangulation effectuée entre les stations de mesures les plus proches. Cependant, le besoin de relevés de précision est crucial : il est par exemple montré que la plus grande variation de qualité aérienne autour d’une autoroute se situe dans les 20 mètres encadrant celle-ci. Notre drone, conçu par le pôle Ingénierie afin de correspondre à nos besoins, nous permettra donc d’effectuer les mesures directement sur le terrain, de la manière la plus précise possible, afin d’effectuer ensuite une cartographie complète de la zone mesurée. Cela assure une précision de relevés jusque-là inégalée.   

Our containment unit (3D preview)
Our containment unit (3D preview)

As said before, the drone is designed to deal as best as possible with the different aspects of the mission it was built for. It will have to perform air samples, but above all else it will have not to cause any cell dissemination. We therefore designed a containment unit, shown above. This system, working just like an airlock, will allow ambient air to come in, but will prevent cells to go out. Furthermore, security measures are planned in order to prevent any accident situation. The whole system will be deeply tested in the laboratory before anything else, and will not be tested outside during the iGEM competition.

Comme dit plus haut, le drone est construit de manière à intégrer au mieux les différentes composantes de sa mission. Il devra être capable d’effectuer des prélèvements d’air, mais surtout ne devra en aucun cas causer de dissémination de cellules. Nous avons donc conçu un système de confinement, montré ci-dessus. Ce système, fonctionnant à la manière d’un sas, permettra à l’air de rentrer mais pas aux cellules de sortir. De plus, des mesures de sécurité anti-dissémination sont prévues sur le drone afin de parer à toute éventualité. Cependant, ce système sera d’abord soumis aux tests les plus rigoureux en laboratoire, et ne sera pas testé en extérieur dans le cadre de la compétition iGEM.

At the beginning 

iGEM
iGEM

Last year, a student team from the IONIS Education Group won a gold medal at the iGEM 2015 competition after a successful crowdfunding campaign on Kickstarter. Proud of this success, the members of our current iGEM IONIS enlisted for the 2016 competition

L’année dernière, une équipe d’étudiants du IONIS Education Group se voyait récompensée de la médaille d’or à la compétition iGEM 2015 suite à une campagne crowdfunding couronnée de succès sur Kickstarter. Suite à ce succès, les membres de l'équipe iGEM IONIS actuelle ont décidé de participer à l'édition 2016 de la compétition.

COP21 Paris 2015
COP21 Paris 2015

During our brainstorming sessions, the COP21 (international symposium about the climat) took place in Paris, from the 30th of November until the 12th of December 2015. This event has influenced us about the choice of our project, which we really want to focus on the environment.

En parallèle de nos sessions brainstorming, il y avait à Paris la COP21 (conférence internationale sur le climat) qui se déroulait du 30 novembre au 12 décembre 2015. Cet événement nous a influencé dans nos choix et nous avons voulu axer nos recherches sur l’environnement.

What is iGEM ?

The iGEM (International Genetically Engeered Machines) is a students international competition in the field of Synthetic Biology. After this award in 2015, the 2016 iGEM IONIS team wants to participate again to the competition organized by the Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.) from the 27th until the 31st of October in Boston.

This meeting gathers each year more than 300 teams in the entire world along with influents scientists and international medias.

This competition is not only a presentation of scientific projects. It has the ambition to make the knowledge about synthetic biology evolve. The iGEM wants it to take more importance in today’s society through projects which will become start-ups.

L’iGEM (International Genetically Engeered Machines) est un concours international destiné aux étudiants, dans le domaine de la biologie de synthèse. Suite à cette récompense en 2015, l’équipe iGEM IONIS 2016 souhaite renouveler le pari et participer à cette compétition organisée par le Massachusetts Institute of Technology (M.I.T.) du 27 au 31 octobre 2016 à Boston.

Ce rassemblement regroupe chaque année plus de 300 équipes du Monde entier, des scientifiques renommés et les médias internationaux.

Mais cette compétition ne se résume pas seulement à une présentation de projets scientifiques. Elle a pour ambition de faire évoluer les connaissances en biologie de synthèse ainsi que lui faire prendre de l’importance dans notre société à travers des projets qui évolueront en start-ups.

The iGEM IONIS team

The iGEM IONIS team
The iGEM IONIS team

For the first time in the history of the competition, 6 different schools from the IONIS Education Group met to create one team: iGEM IONIS.

The iGEM IONIS team wishes to prove the importance of the multidisciplinary skills of the students of IONIS Group around a project focused the environment.

Pour la première fois dans l’histoire de la compétition, 6 écoles différentes de IONIS Education Group se sont réunies pour former une seule et même équipe : iGEM IONIS.

L’équipe iGEM IONIS souhaite prouver l’importance de la pluridisciplinarité des compétences des étudiants de IONIS Group autour d’un projet lié à l’environnement et la mesure de pollution.

Our team during a European Event we organised
Our team during a European Event we organised

5 fields of expertise for a multidisciplinary project

Made of 15 student members and led by the project manager Clément Lapierre (Sup’Biotech), the iGEM IONIS team owns five fields of expertise :

  • The R&D department which allows to realize the core biological part of the project. This department is made up of Clément LAPIERRE, Célia CHENEBAULT, Thomas JAISSER,, Damien LASSALLE, Benjamin PIOT, Victor PLET and Camille SOUCIES (Sup’Biotech).
  • The Marketing department allows the communication and the sponsoring of the project. This department is made up of by Alexandre DOLLET (Ionis-STM), Jessica MATIAS and Anthony RENODON (Sup’Biotech).
  • The Aeronautic department allows the drone conception. This department is made up of Pierre COUDERC and Bastien AUGEREAU (IPSA).
  • The Computer Science department allows the drone control, the realisation of our wiki and our app. This department is made up of Raphael FOURDRILIS (Epitech) and Paul-Louis NECH (Epita).
  • The Design department allows to realize the project's graphic design for all our communication. This department is represented by Alexandra MOMAL (E-artsup).

5 domaines de compétence pour un projet transdisciplinaire

Composée de 15 membres d’étudiants et menée par le chef de projet Clément Lapierre (Sup’Biotech promo 2017), l’équipe iGEM IONIS possède cinq domaines de compétences :

  • La R&D qui permettra de réaliser la partie biologie du projet. Le pôle R&D est composé de Célia CHENEBAULT, Thomas JAISSER, Clément LAPIERRE, Damien LASSALLE, Benjamin PIOT, Victor PLET et Camille SOUCIES (Sup’Biotech promo 2017).
  • Le Marketing permettant la communication et le sponsoring du projet. Le pôle marketing est composé d’Alexandre DOLLET (Ionis-STM promo 2017), Jessica MATIAS et Anthony RENODON (Sup’Biotech promo 2017).
  • L'Aéronautique qui permettra la conception du drone. Le pôle aéronautique est composé Bastien AUGEREAU et Pierre COUDERC (IPSA promo 2019).
  • L'Informatique permettant le pilotage du drone, du site internet et de l’application mobile du projet. Le pôle informatique est composé de Raphaël FOURDRILIS (Epitech promo 2018) et Paul-Louis NECH (Epita promo 2016).
  • Le Design permettant la réalisation des graphismes du projet pour les supports de communication. Le pôle design est représenté par Alexandra MOMAL (E-artsup promo 2017).
The IONIS Education Group and its participating schools
The IONIS Education Group and its participating schools

Current state of the project

Today, our team has already constructed the biosensor plasmid we are planning to use in silico (on a computer). 

Though we are already working on possible improvements by using some of the latest innovative design softwares (CelloCAD), we are currently in the process of assembling our first plasmid in the lab: the first detection tests will therefore be conducted very soon. 

The drone is also currently being printed: the Computer Assisted Design (CAD) is finished for both the containment unit and the drone, and both of them will be assembled during the summer. 

Finally, we are coding a program that will enable a safe remote control for the drone. 

État actuel du projet

Aujourd’hui, notre équipe a déjà construit in silico le plasmide biosenseur que nous allons utiliser, et travaille d’ores et déjà à son amélioration via l’utilisation de logiciels innovants

Nous sommes actuellement en train d’assembler en laboratoire les différentes séquences d’ADN formant notre premier plasmide, et allons commencer les tests de détection très rapidement. 

Par ailleurs, le drone est actuellement en cours d’impression. La Conception Assistée par Ordinateur (CAO) est terminée pour le drone et le tube de confinement, et leur assemblage va pouvoir commencer. 

Enfin, nous sommes en train de réaliser un programme de pilotage à même de contrôler notre drone à distance en toute sécurité. 

After the competition ?

Our participation to the biggest synthetic biology contest in the world apart, we truly think that our innovation presents a real interest in the field of air quality analysis, both for outdoor and indoor pollution.

That’s why, if the lab results matches our expectations, the current project will be able to evolve into a concrete application of synthetic biology in the professional sector.

We also know that, as explained above, (cf. “Future developments”), many developments are possible for our project. According to the opportunities, we will develop Quantifly so it can best fit the current needs.

Since 2004, the iGEM competition already gathered more than 15 000 students, and some projects have now evolved into companies.

By supporting us, you support a team motivated by a project with a bright future.

Après la compétition ?

Au-delà de notre participation au plus grand concours de biologie de synthèse du monde, nous pensons que notre innovation présente un réel intérêt dans le domaine de l’analyse de la qualité de l’air à la fois en extérieur mais aussi en intérieur.

C’est pourquoi, si les résultats mesurés en laboratoire correspondent à nos attentes, le projet étudiant pourra évoluer pour prendre une dimension professionnelle et se concrétiser en tant qu’application concrète de la biologie de synthèse.

Nous savons aussi que, comme expliqué plus haut (cf. « Future developments») de nombreux développements de notre projet sont envisageables. Selon les opportunités qui s’offriront, nous développerons Quantifly afin que celui-ci corresponde aux mieux aux besoins actuels. 

Depuis 2004, la compétition iGEM a déjà regroupé plus de 15 000 étudiants et certains projets sont aujourd’hui des entreprises reconnues.

En soutenant le projet Quantifly, vous soutenez une équipe motivée par un projet d’avenir.

Risks and challenges

Quantifly is an ambitious and innovative project that, like other projects of its kind, presents risks and challenges which make it more inspiring and challenging to develop. What makes Quantifly unique is that every risk we face is a challenge that we try to overcome with great passion and motivation, taking the project always further and further.
The main risks we have identified can be linked to the use of biological elements. We are indeed planning to use genetically engineered bacteria, which implies an ethical dimension, given that those bacteria would be used in the open world. This problematic is our biggest challenge and we are working on a containment method that would allow us to separate bacteria from the environment. The first tests will be run in the laboratory, under simulated environmental conditions. In the meantime, our Engineering team is developing a containment method similar to an airlock that would allow an efficient sampling of the air with no bacteria escaping the collection tube. This system is designed and is actually being assembled.
Another issue is related to bacteria themselves. Our system aims to develop bacteria as detection and measurement tools, but life and living organisms are not fully controllable, whereas human-made tools are lifeless objects that we can control. Therefore, a number of minor parameters of little influence could interfere with the normal functioning of our biosensor in a way that no one could foresee. Though the mechanism we added to the cell is relatively simple,we don’t know how well it will handle real-life conditions.
Although our biggest challenges come from biology, we also identified a mechanical risk in the drone. When using our drone, we might come to the possibility that the drone will have an accident. We designed a security system for this event that will allow us to handle such accident without harm and pollution. This standard system, present on many drones, would allow us to avoid losing control of it.
We are also aware of the issues caused by the use of a drone in urban areas. However, many solutions exist that would allow us to bypass such problems. As an example, we could adopt an economic model based on the sale of a service, not a product. Though this concern is not our priority during the current Development phase of our project, we are already considering it.

Le projet Quantifly est un projet ambitieux et innovant, et comme tout projet de ce type, il présente des risques et des défis qui le rendent passionnant à développer. L’intérêt de Quantifly, c’est que chaque risque que nous nous efforçons de maîtriser est un défi que nous relevons avec plaisir et qui nous pousse à emmener notre projet toujours plus loin.
Les principaux risques que nous avons identifiés sont liés à l’utilisation d’éléments biologiques. En effet, nous prévoyons d’utiliser des bactéries modifiées génétiquement, et cela implique une dimension éthique, car l’utilisation de ces bactéries dans l’environnement ouvert représente un potentiel danger. Cette problématique, que nous gardons à l’esprit à chaque instant, constitue notre plus grand défi et nous travaillons sur une méthode de confinement afin d’éviter toute pollution environnementale. Dans un premier temps, les tests seront donc uniquement effectués en laboratoire, dans des conditions simulant l’environnement extérieur. En parallèle, notre équipe d’ingénierie travaille à la mise au point d’un système permettant d’échantillonner de l’air sans qu’aucune bactérie ne s’échappe, à la manière d’un sas. Ce système, imaginé et conçu, est actuellement en cours de construction.
Un autre risque est lié à l’exploitation de bactéries. Notre système compte en effet utiliser ces cellules comme outils de détection et de mesure, mais le vivant reste difficilement contrôlable dans le détail. De nombreux paramètres qui nous semblent bénins de prime abord peuvent interférer avec notre senseur d’une manière qui nous reste impossible à anticiper. Malgré la relative simplicité du système implémenté dans la cellule, nous ne savons pas comment cet outil répondra une fois mis à l’épreuve en conditions réelles. Seul des études et tests approfondis pourront nous le dire.
Mais la biologie n’est pas seule génératrice de risque. Lors de manipulation de notre drone, il se peut que celui-ci ait une défaillance. Dans la cadre d’un tel évènement, Nous avons prévu un système de sécurité qui permet de gérer les accidents mécaniques en toute sécurité. En effet, ce système standard, présent sur de nombreux drones, nous permet d’éviter de perdre le contrôle de celui-ci.
Enfin, nous nous sommes également conscients des problématiques liées à l’usage d’un drone en milieu urbain. Cependant, de nombreuses solutions existent, comme par exemple l’adoption à l’avenir d’un modèle économique fondé sur un service, et non sur un produit. Cependant, lors de la phase de Développement du projet, cette problématique n’est pas d’actualité.

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