La chimie du et pour le vivant : la Recherche face aux enjeux du début du 21ème siècle

La compréhension des mécanismes associés à la vie, au niveau moléculaire et cellulaire aussi bien qu'au niveau des organismes, des populations et des écosystèmes, et la mise au point de composés ou de méthodes pour les réguler, sont des enjeux de recherche majeurs pour le début du 21ème siècle. Les retombées attendues concernent aussi bien la santé humaine et animale (médicaments, vaccins, matériaux biocompatibles pour prothèse, diagnostic) que l'agroalimentaire, les biotechnologies ou l'environnement. Le développement spectaculaire des sciences du vivant au cours de ces 20 dernières années, avec, en particulier, le décryptage des séquences de très nombreux génomes, a ouvert la voie. Les chimistes ont un rôle très important à jouer dans ce contexte du post-génome. Ils ont tout d'abord à faire progresser de façon considérable notre connaissance de la chimie du vivant, en découvrant les nouveaux schémas de biosynthèse et les nouveaux médiateurs qui dépendent des gènes "orphelins" (dont on ne connaît pas la fonction à l'heure actuelle). Ils se doivent aussi d'élaborer de nouvelles méthodes et de construire de nouveaux objets (molécules, matériaux …) pour permettre ou faciliter la compréhension du vivant et pour intervenir sur certains dysfonctionnements du vivant (chimie pour le vivant). Ces recherches devraient aussi conduire à des retombées en chimie au sens large, avec des applications en dehors du vivant, l'observation de la biodiversité devenant alors une source d'inspiration pour la création d'une chimiodiversité beaucoup plus large (nouvelles molécules, nouveaux catalyseurs, nouveaux matériaux …) (chimie d'après le vivant). Ces différents rôles des chimistes seront illustrés dans chaque cas à l'aide de résultats récents.

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Les nanostructures semi-conductrices

Lorsqu'un matériau semi-conducteur est structuré à l'échelle du nanomètre ses propriétés électroniques et optiques sont gouvernées par la mécanique quantique. Le puits quantique, formé par une couche mince semi-conductrice d'épaisseur nanométrique, est très communément employé depuis 20 ans pour fabriquer des composants très performants (diodes laser, transistors à gaz d'électrons bidimensionnel). De nombreuses études sont aujourd'hui consacrées aux boîtes quantiques semi-conductrices, nanostructures capables de confiner les électrons à l'échelle du nanomètre dans toutes les directions de l'espace. Après avoir présenté et comparé les principales stratégies permettant de fabriquer ces nano-objets, l'exposé s'attachera à montrer combien leurs propriétés sont originales. Une boîte quantique isolée se comporte par exemple à bien des égards comme un macro-atome artificiel ; cette propriété très intéressante permet de reproduire dans un système solide des expériences d'optique quantique jusque là réalisées avec des systèmes atomiques. Pour conclure, les perspectives d'application très prometteuses des boîtes quantiques dans des domaines aussi variés que l'optoélectronique, les communications quantiques, la micro/nanoélectronique ou la biologie seront brièvement présentées.

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Le mécanisme de repliement des molécules

Ce terme désigne le mécanisme par lequel une macromolécule linéaire (par macromolécule on entend un enchaînement linéaire de motifs moléculaires) acquiert une structure tridimensionnelle. Un tel mécanisme est particulièrement important dans le domaine du vivant car une fois synthétisées c'est par ce processus que les protéines acquièrent la structure qui va leur permettre de remplir une fonction précise au sein de la cellule. Ce mécanisme a attiré l'attention de nombreux chercheurs du fait de son importance cruciale en biologie mais aussi du fait du formidable problème computationnelle que représente la prédiction de la structure tridimensionnelle de ces objets à partir de leur structure chimique linéaire. Nous rappellerons les notions essentielles nécessaires à la compréhension de ce mécanisme (atomes, liaisons chimiques, molécules, macromolécules) ainsi que les principaux mécanismes biologiques mis en jeu lors de la synthèse d'une protéine. Nous passerons ensuite en revue les principales forces mises en jeu lors du repliement (essentiellement les forces électrostatiques, l'effet hydrophobe, la liaison hydrogène) puis nous décrirons les principaux outils expérimentaux permettant d'aborder l'étude de ce phénomène. Quelques expériences seront présentées ainsi que la situation actuelle du problème.

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Du pétrole et du gaz aux plastiques

Gaz naturel et pétrole et tous les hydrocarbures en général - sont des matières premières familières, que nous associons d'emblée à la production d'énergie : centrales électriques, carburants automobiles, ainsi que chauffage domestique au gaz et au fioul. Mais en parallèle de cet emploi en tant que combustibles, ces ressources naturelles sont les matières premières de base de la pétrochimie, qui fournit d'innombrables matériaux synthétiques aujourd'hui indispensables à notre monde moderne. Du caoutchouc aux divers plastiques, en passant par les fibres synthétiques, les solvants et colorants, les engrais et même les médicaments, les hydrocarbures sont omniprésents dans notre quotidien. Si les principes de base de la pétrochimie sont connus depuis le 19ème siècle, c'est surtout après la deuxième guerre mondiale qu'elle a connu un développement important. Mais ce n'est pas pour autant une industrie vieillissante, car le renchérissement du coût des matières premières a conduit à une recherche de la performance technique tant au niveau efficacité qu'au niveau coût. Cette industrie a également su s'adapter aux contraintes environnementales de plus en plus sévères en vigueur aujourd'hui. Requérant d'énormes investissements en capital, elle fait appel à des technologies complexes pour la fabrication de produits de haute pureté. Sans avoir pour ambition de décrire de façon exhaustive toutes les technologies de transformation du gaz naturel et du pétrole, cette présentation passe en revue quelques unes des grandes filières de transformation de ces matières premières aboutissant à des produits de synthèse bien connus tels que les engrais, le polystyrène ou le polyéthylène.

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