MACHINES ET MOTEURS MOLÉCULAIRES : DE LA BIOLOGIE AU MOLÉCULES DE SYNTHÈSE
 

 

 

 

 

 

 

MACHINES ET MOTEURS MOLÉCULAIRES : DE LA BIOLOGIE AU MOLÉCULES DE SYNTHÈSE

De nombreux processus biologiques essentiels font intervenir des moteurs moléculaires (naturels). Ces moteurs sont constitués de protéines dont la mise en mouvement, le plus souvent déclenchée par l'hydrolyse d'ATP (le "fioul" biologique), correspond à une fonction précise et importante. Parmi les exemples les plus spectaculaires, nous pouvons citer l'ATPsynthase, véritable moteur rotatif responsable de la fabrication de l'ATP. Pour le chimiste de synthèse, l'élaboration de molécules totalement artificielles, dont le comportement rappelle celui des systèmes biologiques, est un défi formidable. L'élaboration de "machines" et "moteurs" moléculaires de synthèse représente un domaine particulièrement actif, qui a vu le jour il y a environ une douzaine d'années. Ces machines sont des objets nanométriques pour lesquels il est possible de mettre en mouvement une partie du composé ou de l'assemblée moléculaire considérée, par l'intervention d'un signal envoyé de l'extérieur, alors que d'autres parties sont immobiles. Si une source d'énergie alimente le système de manière continue, et qu'un mouvement périodique en résulte, l'assemblée moléculaire en mouvement pourra être considérée comme un "moteur". D'ores et déjà, certaines équipes de chimiste ont pu fabriquer des moteurs rotatifs minuscules, des moteurs linéaires mis en mouvement par un signal électronique ou des "muscles" moléculaires de synthèse, capables de se contracter ou de s'allonger sous l'action d'un stimulus externe. Quelques exemples représentatifs seront discutés lors de l'exposé. Un certain nombre de questions ayant trait aux applications potentielles du domaine de "nanomécanique moléculaire" seront abordées : - "ordinateurs moléculaires", pour lesquels certains chercheurs fondent de grands espoirs, stockage et traitement de l'information au niveau moléculaire, - robots microscopiques, capables de remplir une grande variété de fonctions allant de la médecine à la vie de tous les jours, - transport sélectif de molécules ou d'ions à travers des membranes.

MACHINES ET MOTEURS MOLÉCULAIRES : DE LA BIOLOGIE AU MOLÉCULES DE SYNTHÈSE

Transcription de la 613e conférence de l'Université de tous les savoirs donnée le 20 juin 2006 revue par l'auteur.
Jean Pierre Sauvage : « Machine et moteurs moléculaires : de la biologie aux molécules de synthèse »

De nombreux processus biologiques essentiels font intervenir des moteurs moléculaires naturels. Ces moteurs sont constitués de protéines dont la mise en mouvement, le plus souvent déclenchée par l'hydrolyse d'ATP (le « fuel » biologique), correspond à une fonction précise et importante. Parmi les exemples les plus spectaculaires, nous pouvons citer l'ATPsynthase, véritable moteur rotatif responsable de la fabrication de l'ATP. Pour le chimiste de synthèse, l'élaboration de molécules totalement artificielles, dont le comportement rappelle celui des systèmes biologiques, est un défi formidable.
L'élaboration de « machines » et « moteurs » moléculaires de synthèse représente un domaine particulièrement actif, qui a vu le jour il y a environ une douzaine d'années. Ces machines sont des objets nanométriques pour lesquels il est possible de mettre en mouvement une partie du composé ou de l'assemblée moléculaire considérée, par l'intervention d'un signal envoyé de l'extérieur, alors que d'autres parties sont immobiles. Si une source d'énergie alimente le système de manière continue, et qu'un mouvement périodique en résulte, l'assemblée moléculaire en mouvement pourra être considérée comme un « moteur ». D'ores et déjà, certaines équipes de chimistes ont pu fabriquer des moteurs rotatifs minuscules, des moteurs linéaires mis en mouvement par un signal électronique ou des « muscles » moléculaires de synthèse, capables de se contracter ou de s'allonger sous l'action d'un stimulus externe.

Quelques exemples représentatifs seront discutés et un certain nombre de questions ayant trait aux applications potentielles du domaine de « nanomécanique moléculaire » seront abordées.
Qu'entend-on par machine et moteur moléculaires ? Et quels sont les systèmes naturels étudiés ?
Une machine moléculaire est un système dynamique comportant plusieurs constituants et capable de subir des mouvements réversibles de grande amplitude. Ces mouvements sont contrôlés par un signal extérieur (le signal peut être photonique, électronique ou chimique).

Il existe 3 catégories de machines moléculaires :
-les protéines moteurs (en biologie): ce sont des moteurs rotatifs, comme l'ATPsynthase ou les flagelles des bactéries qui permettent leur locomotion, des moteurs linéaires (les muscles, la kinésine ou la dynéine), ou encore des presses, comme la famille des chaperons (les chaperons sont capables d'encapsuler et de comprimer des protéines dénaturées pour leur redonner la bonne conformation).
-les systèmes hybrides : ce sont des systèmes développés par des biologistes, souvent en association avec des chimistes et des ingénieurs, comportant des fragments naturels et éventuellement des éléments artificiels issus de la chimie de synthèse.
-les molécules ou assemblées moléculaires totalement artificielles : c'est ce à quoi nous nous intéresserons plus particulièrement.
Détaillons un exemple de moteur moléculaire (de la catégorie des protéines moteurs), l'ATPsynthase schématisée figure 1. L'ATPsynthase est une enzyme universelle (nous pouvons la trouver chez les bactéries les plus primitives ainsi que chez les mammifères : elle est présente dans tous les organismes vivants). Elle est responsable de la fabrication de l'ATP (Adénosine TriPhosphate) à partir d'ADP (Adénosine DiPhosphate) et de phosphate inorganique. L'ATP représente un véritable « fuel » biologique qui permet le stockage énergétique dans la cellule (nous fabriquons chaque jour la moitié de notre poids en ATP !).
Figure 1 : l'ATPsynthase est un moteur rotatif merveilleux

Figure 2 : la rotation du rotor g à l'intérieur de la roue
a3b3 a été mise en évidence en attachant un
filament d'actine à une extrémité et en alimentant
le système en ATP
Lorsqu'une solution d'ATP est ajoutée, le groupe japonais a pu remarquer que le filament d'actine (qui a été modifié de telle façon à être rendu luminescent) tourne dans le sens inverse des aiguilles d'une montre : l'ATPsynthase a agi comme un moteur rotatif réalisant l'hydrolyse de l'ATP en ADP et en phosphate inorganique, c'est à dire la réaction inverse de celle produisant l'ATP.
Ce groupe a donc mis en évidence que nous avons un « fuel », l'ATP, dont la conversion
engendre un mouvement de rotation pour un moteur moléculaire très complexe issu de la
biologie, mais qui peut être classé comme un moteur hybride.
Il existe d'autres protéines moteurs qui sont des moteurs linéaires :
-la kinésine et la dynéine : elles sont responsables du transport de la matière dans les cellules, dans des organelles (sortes de « sacs » présents sur la kinésine). La kinésine bouge très vite (300-400 km/h si l'on ramène l'échelle à celle d'une personne courant sur une piste de stade).
-les muscles striés : ils se contractent ou s'allongent grâce à des filaments (actine : filament fin / myosine : filament épais) qui coulissent les uns le long des autres.
Les molécules de synthèse
De manière générale, l'élaboration de molécules artificielles a beaucoup évolué. Il reste cependant des défis inaccessibles aujourd'hui.
Certaines substances naturelles très complexes peuvent être synthétisées au laboratoire, comme la brévétoxine A (figure 3). Cette molécule présente un grand nombre de carbones asymétriques (22). Elle a été préparée par un groupe américain et a nécessité le travail de 20 personnes sur une période d'environ 12 ans. Cette synthèse représente un véritable tour de force, salué par la communauté des chimistes des molécules.

Figure 3 : le groupe américain de K.C. Nicolaou a réalisé la synthèse totale
de la brévétoxine A
Mais pour le moment, aucune équipe n'est parvenue à synthétiser la maitotoxine (figure 4), substance naturelle comprenant environ une centaine de carbones asymétriques.
Figure 4 : la maitotoxine, un des poisons marins les plus violents, n'a pas encore pu être synthétisée au laboratoire
Les moteurs et machines moléculaires artificiels : caténanes et rotaxanes
Les caténanes et les rotaxanes (figure 5) sont devenus très populaires dans le domaine de la recherche contemporaine (véritable révolution au cours des 20 dernières années) et sont beaucoup étudiés par les chimistes, les physiciens et les ingénieurs pour leur potentiel dans la fabrication de machines moléculaires.
Figure 5 : schéma d'un [2]caténane et d'un [2]rotaxane
Jusqu'au début des années 1980, ces composés semblaient inaccessibles car il n'existait pas de méthode de synthèse, puis une méthode a été découverte (figure 6) : elle met en Suvre l'effet de matrice d'un métal de transition, le cuivre (I), afin d'entremêler 2 fils moléculaires par exemple pour obtenir un précurseur qui permettra ensuite de fabriquer un [2]caténane.
Figure 6 : stratégie pour entremêler 2 fragments moléculaires afin de préparer un [2]caténane
Sur la figure 6, nous avons 2 fragments moléculaires f-f capables d'interagir avec un centre métallique (cation métallique susceptible de rassembler et d'orienter ces 2 fragments). Nous obtenons alors un intermédiaire, comportant deux fils f-f entremêlés, conduisant au [2]caténane par une réaction chimique classique de formation d'anneau.
Traitons un exemple concret pour illustrer cette stratégie : la formation d'un entrelacs de 2 fils moléculaires dppOH (dihydroxyphénylphénanthroline) grâce au cation métallique Cu (I) (figure 7), entrelacs réalisé par Dietrich-Buchecker et al., en 1984.
Figure 7 : réalisation d'un entrelacs de 2 fragments organiques grâce à
l'effet de matrice du cuivre (I)
Le cuivre existe sous 2 états :
-un état oxydé : c'est le cuivre (II) ou Cu2+
-un état réduit : c'est le cuivre (I) ou Cu+.
C'est le cuivre dans son état réduit qui a été utilisé ici et qui est toujours utilisé pour réaliser un entrelacs de ce type.
Une fois l'entrelacs effectué, une réaction de chimie classique est mise en Suvre afin de synthétiser le [2]caténane (figure 8).

Figure 8 : formation du [2]caténane par une réaction chimique classique
Figure 9 : structure cristallographique du
[2]caténane complexé au cuivre
Les deux anneaux étant entrelacés, la seule manière de les séparer est de couper un lien chimique. Il est possible de retirer le cuivre (I) en réalisant ce qu'on appelle la démétallation (figure 10).
Figure 10 : il est facile de retirer le centre métallique en utilisant du cyanure de potassium
Figure 11 : la molécule se réarrange
pendant la démétallation
La première machine moléculaire à partir d'un caténane :
La première machine moléculaire réalisée à partir d'un [2]caténane est un moteur rotatif dont le mouvement est déclenché par l'oxydation et la réduction du cuivre (figure 12). Il faut cependant noter que ce n'est pas un véritable moteur rotatif, dans la mesure où la direction des deux demi-tours représentés sur la figure 12 n'est pas contrôlée.
Figure 12 : rotation d'un anneau à l'intérieur d'un autre anneau, sans contrôle de la
direction : utilisation du couple Cu(II) / Cu(I)
Le cuivre (I) est stable lorsqu'il est entouré de 4 atomes donneurs (atomes d'azote) : il présente une géométrie pseudo-tétraédrique lors de la coordination à deux phénanthrolines (chacune a 2 atomes d'azote).
Le cuivre (II) n'est lui par contre pas stable en pseudo-tétraèdre, il préfère être entouré de 5
atomes donneurs : une phénanthroline et une terpyridine (respectivement 2 et 3 atomes
d'azote).
Lorsque le cuivre (I) est oxydé (-e-) en cuivre (II), nous passons d'une situation stable (en haut à gauche) à une situation instable (en haut à droite). Le système instable va évoluer (se relaxer) et la relaxation implique qu'un des deux anneaux tourne à l'intérieur de l'autre anneau. Ceci s'effectue de manière à venir placer le fragment à 3 azotes (terpyridine) en position d'interaction avec le cuivre : le système retrouve alors une situation stable (en bas à droite). Ce réarrangement a été réalisé en effectuant une rotation d'un demi-tour.
Le système est réversible, ce qui signifie qu'il est possible de réduire (+e-) le cuivre (II) en cuivre (I) pour revenir à la situation de départ (en haut à gauche), en passant par un système instable (en bas à gauche).
Ce moteur rotatif est donc fondé sur un mouvement contrôlé par électrochimie et le système est parfaitement réversible : il est possible de faire autant de cycles CuI à CuII à CuI que l'on veut.
Une navette moléculaire à partir d'un rotaxane :
Nous avons vu qu'un rotaxane pouvait être un moteur rotatif ou un moteur linéaire. Le groupe de Fraser Stoddart, aux Etats-Unis, a préparé une navette moléculaire (figure 13) à partir d'un rotaxane, c'est un moteur linéaire.

Figure 13 : schématisation d'une navette moléculaire
C'est un processus électronique qui permet de faire coulisser l'anneau d'une station vers l'autre (figure 14).
Figure 14 : une « navette » moléculaire :la mise en mouvement se fait en
oxydant la station verte puis en réduisant sa forme oxydée
Ce processus est réversible puisqu'il est possible de revenir à la situation de départ en réduisant la station verte, c'est à dire en revenant à sa forme neutre du point de vue des charges.
Cette navette moléculaire et des molécules dérivées de sa structure originelle ont conduit à des applications qui peuvent être importantes : des chimistes se sont associés à des ingénieurs et à des physiciens pour tenter de fabriquer des systèmes de stockage d'information (mémoires) et des ordinateurs primitifs à base moléculaire.
Peut-on mettre en Suvre un système de stockage de l'information moléculaire en utilisant une navette moléculaire ?

Figure 15 : découverte de l'année 2001, publiée dans le magazine Science, vol. 294, 21
décembre 2001, p. 2442 : nous dirigeons-nous vers des ordinateurs moléculaires ?
Le système qui a été élu « découverte de l'année 2001 » par le magazine Science (figure 15) pourrait donner naissance à un ordinateur moléculaire, permettant le stockage de l'information.
Ce dispositif est composé de barreaux de semi-conducteur ou d'un métal conducteur : 3 barreaux en haut et 3 barreaux en bas, positionnés de manière orthogonale. Entre ces barreaux ont été intercalées des molécules de la navette moléculaire. Lorsqu'un potentiel est appliqué entre deux barreaux perpendiculaires, la position de l'anneau (représenté en blanc sur la figure) peut être contrôlée. Dans le même temps, les propriétés de conduction de l'électricité du filament organique sont modifiées. Ainsi, selon la position de l'anneau sur le filament organique, nous avons un conducteur (qui peut être considéré comme le 1 d'un système informatique) ou un isolant (qui est alors le 0). L'état du fil organique reliant les barreaux peut être « lu ». Il est également possible d' « effacer » afin de revenir à l'état initial.
Nous avons donc un système permettant le stockage de l'information, à base moléculaire. Il faut cependant noter que ce petit dispositif fait encore l'objet de nombreuses discussions et débats.
Vers des muscles moléculaires de synthèse à l'échelle nanométrique :
Il est possible de mimer les moteurs linéaires que sont les muscles. Cela a été réalisé par Maria Consuelo Jiménez et Christiane Dietrich-Buchecker qui ont cherché à imiter le fonctionnement du muscle strié en préparant un dimère de rotaxane (figure 16). Dans ce dimère de rotaxane, les filaments vont pouvoir coulisser l'un sur l'autre pour conduire à une forme contractée ou à une forme étirée.
Figure 16 : un dimère de rotaxane est la topologie idéale pour réaliser l'interconversion d'une structure étirée et d'un système contracté. L'axe d'une sous-unité (bleue, par exemple) traverse l'anneau de l'autre sous-unité (noire)
La synthèse du muscle est un réel défi, proche du point de vue de la difficulté, de celui que peut représenter la synthèse de produits naturels complexes. C'est la coordination au métal qui détermine le fait qu'il soit étiré ou contracté. L'étape clé de la préparation du muscle est la réaction de double « enfilage » (figure 17). La structure doublement entrelacée de ce composé a été mise en évidence par diffraction des rayons X (figure 18).

Figure 17 : formation du dimère de rotaxane par double enfilage au cuivre (I)

Figure 18 : structure cristallographique du
composé doublement entrelacé
La mise en mouvement du muscle est réalisée par une réaction d'échange cuivre (I) / zinc (II) (figure 19).
Comme nous l'avons vu précédemment, le cuivre (I) est stable lorsqu'il est tétracoordiné : sa sphère de coordination est composée de 2 phénanthrolines, c'est la forme étirée (85 Angström). Le mouvement est induit par échange du cuivre (I) par du zinc (II) qui, lui, est stable lorsqu'il est pentacoordiné (géométrie de bipyramide trigonale) : sa sphère de coordination comprend une phénanthroline et une terpyridine, c'est la forme contractée (65 Angström).
L'amplitude est à peu près la même que celle que nous trouvons dans les muscles striés (myosine / actine) : la contraction est d'environ 25 % de la longueur totale de l'objet dans la forme étirée.
Figure 19 : les deux états du muscle
Il est donc possible de contracter ou d'étirer une molécule par une réaction chimique, de manière très substantielle. La mise en mouvement d'objets ou de particules beaucoup plus grands que cette espèce suscite actuellement beaucoup d'intérêt.
Les moteurs et machines moléculaires fondés sur des molécules non entrelacées : un exemple de système mis en mouvement par la lumière
Plusieurs machines moléculaires ont été proposées par différents laboratoires, qui travaillent sur des composés qui ne comportent pas d'anneaux entrelacés. Nous discuterons brièvement un exemple précis, conduisant à un véritable dispositif micrométrique.
Un groupe de chercheurs hollandais (Feringa et al.) a publié en 2006, dans la revue Nature, un article à propos d'un nanomoteur qui engendre la rotation d'objets de l'ordre du micron. Il s'agit en fait d'un moteur moléculaire intégré dans un film de cristal liquide (figure 20) qui utilise la lumière pour faire tourner des objets de grande taille, par comparaison à celle du moteur moléculaire lui-même.

Figure 20
Le groupe de Feringa a déposé un barreau de verre (5x28mm) sur ce film de cristal liquide dopé. Sous irradiation lumineuse, le petit barreau est entraîné et il est possible de visualiser clairement la rotation, ce qui constitue une très jolie preuve de principe.
Finalement, quelles sont les motivations des chercheurs travaillant dans le domaine des machines et moteurs moléculaires de synthèse ?
Tout d'abord, la fabrication de tels objets, molécules ou dispositifs, représente un véritable défi synthétique : les molécules pouvant donner naissance à un moteur ou à une machine moléculaire sont complexes et originales. Leur synthèse nécessite beaucoup de temps et de talent. Leur obtention représente un véritable exploit, que ce soit au niveau conceptuel ou du point de vue expérimental.
Ensuite, c'est la possibilité de reproduire les fonctions les plus simples des moteurs biologiques qui attire les chercheurs. Il faut cependant noter que les machines moléculaires accessibles aujourd'hui sont extrêmement primitives, comparées aux machines naturelles très complexes mises au point par la nature au cours de l'évolution.
Pour finir, ce sont certainement les nombreux domaines d'applications possibles qui captivent également les chercheurs :
-le stockage et le traitement de l'information au niveau moléculaire (écrire / lire / effacer)
-la mise au point de robots microscopiques capables d'assurer des fonctions variées
-en chimie médicinale : le transport d'une molécule jusqu'à un endroit précis ou celle-ci sera utile (médicament), l'ouverture / la fermeture d'une valve ou d'une porte qui contrôle le flux d'une molécule dans un fluide biologique, le pilotage d'une micro-seringue susceptible d'injecter un composé dans une cellule...
Remerciements

Caténanes :
-synthèse et chimie de coordination :
Laboratoire de Chimie Organo-Minérale (Strasbourg) :
Christiane Dietrich-Buchecker, Jean-Claude Chambron, Jean-Marc Kern, et beaucoup
d'autres...
-structures cristallographiques par diffraction des rayons X :
Claudine Pascard, Michèle Césario (Gif-sur-Yvette)
Jean Fischer, André De Cian, Nathalie Gruber, Richard Welter (Strasbourg)
Mouvement de caténanes et rotaxanes complexés au cuivre :
-catenanes in motion :
Aude Livoreil, Diego J. Cardenas
-translation of a ring along an axle:
Jean-Paul Collin, Pablo Gaviña
-pirouetting of a ring along the axle:
Laurence Raehm, Jean-Marc Kern, Ingo Poleschak, Ulla Létinois, Jean-Paul Collin
-towards molecular muscles :
Maria Consuelo Jiménez, Christiane Dietrich-Buchecker

 


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  QU'EST-CE QUE LA VIE ?
 

 

 

 

 

 

 

QU'EST-CE QUE LA VIE ?

Longtemps savants et philosophes ont cherché à élucider la nature de la vie. L'idée de vie suggérait l'existence de quelque substance ou de quelque force spéciale. On pensait que la "matière vivante", comme on disait alors, différait de la matière ordinaire par une substance ou une force qui donnait des propriétés particulières. Et pendant des siècles, on a cherché à découvrir cette substance ou cette force vitale. En réalité la vie est un processus, une organisation de la matière. Elle n'existe pas en tant qu'entité indépendante qu'on pourrait caractériser. On peut donc faire l 'étude du processus ou de l'organisation, mais pas de l'idée abstraite de vie. On peut tenter de décrire, on peut tenter de définir ce qu'est un organisme vivant et non-vivant. Mais il n'y a pas de "matière vivante". Il y a de la matière qui compose les êtres vivants et cette matière n'a pas de propriété particulière que n'aurait pas ce qui compose les corps inertes.

Texte de la 1ère conférence de l'Université de tous les savoirs réalisée le1er janvier 2000 par François Jacob
Qu'est-ce que la vie ?
Pour inaugurer dignement l'an 2000, qui ne signifie rien, sinon un salut à la gloire des zéros, on m'a demandé de répondre à la question : Qu'est-ce que la vie ? Cette question me paraît d'autant plus appropriée qu'elle n'a pas de réponse. Depuis qu'il y a des hommes et qui pensent, ils ont dû se poser une telle question. Chacun apprend rapidement qu'il est, tôt ou tard, destiné à mourir. Chacun a vu des animaux ou des humains morts. Chacun sait que la vie est un état éphémère. Chacun voudrait bien savoir en quoi il consiste. Le malheur est qu'il est particulièrement difficile, sinon impossible, de définir la vie. C'est un peu comme le temps. Chacun a une idée intuitive de ce qu'est le temps. Mais quand il faut le définir, on y arrive rarement.
Mais si chacun parle de la vie en relation avec la mort, rares sont ceux qui en parlent en relation avec les choses inanimées, avec les montagnes, les rochers, le sable, l'eau, etc. En effet, en science, la division entre vivant et non vivant est relativement récente. Jusqu'à la fin du XVIIIème siècle, on étudiait les animaux et les plantes. On comparait leur morphologie. On les classait. On faisait de l'histoire naturelle.
C'est seulement au début du XIXème siècle que plusieurs auteurs, dont Lamarck, s'intéressent aux propriétés des êtres vivants, par opposition aux objets inanimés et utilisent le mot biologie. Il est intéressant de noter que l'avènement de la biologie survient avec celui du romantisme. On commence à parler du vivant au moment du premier suicide de la littérature : celui du jeune Werther.
Longtemps savants et philosophes ont chercher à élucider la nature de la vie. L'idée de vie suggérait l'existence de quelque substance ou de quelque force spéciale. On pensait que la "matière vivante", comme on disait alors, différait de la matière ordinaire par une substance ou une force qui lui donnait des propriétés particulières. Et pendant des siècles, on a cherché à découvrir cette substance ou cette force vitale. En réalité la vie est un processus, une organisation de la matière. Elle n'existe pas en tant qu'entité indépendante qu'on pourrait caractériser. On peut donc faire l'étude du processus ou de l'organisation, mais pas de l'idée abstraite de la vie. On peut tenter de décrire, on peut tenter de définir ce qu'est un organisme vivant. On peut chercher à établir la ligne de démarcation entre vivant et non vivant. Mais il n'y a pas de "matière vivante". Il y a de la matière qui compose les êtres vivants et cette matière n'a pas de propriété particulière que n'aurait pas ce qui compose les corps inertes.
Si le vitalisme a duré si longtemps, si jusqu'au début du XXème siècle, beaucoup de biologistes ont encore invoqué une force mystérieuse pour animer les êtres vivants, c'est que de toute évidence la théorie qu'on leur opposait ne pouvait suffire. Ceux, en effet, qui considéraient que les êtres vivants ne sont pas fondamentalement de nature différente de la matière inanimée, estimaient avec Descartes que tous les organismes - à l'exception peut-être de l'homme - ne sont que des machines. Bien évidemment le modèle de la machine appliqué aux organismes est très insuffisant : on n'a jamais vu de machine s'autoconstruire, s'autorépliquer, ou se procurer toute seule l'énergie dont elle a besoin. Cependant cette idée n'a été finalement abandonnée que récemment.
Le premier et important coup a été porté au vitalisme par les chimistes. Comme les corps vivants et les corps inanimés semblaient être de nature différente, on estimait que les chimistes ne pouvaient fabriquer les constituants du vivant, appelés corps organiques. Mais en 1828, Frederik Wöhler réussit en laboratoire la synthèse d'une substance organique, l'urée, à partir de composants minéraux. C'était la preuve qu'il est possible au laboratoire de convertir les composés inorganiques en une molécule organique.
La fin du XIXème siècle a été pour la biologie une période d'exceptionnelle fécondité. C'est l'époque des grandes théories :
- La théorie des germes avec Pasteur. Les microorganismes avaient été découverts à la fin du XVIIème siècle, grâce à l'invention du microscope. Mais pendant longtemps on n'a su ni qu'en faire ni où les ranger. C'est seulement avec Pasteur que fut mis en évidence le rôle de ces petits êtres vivants dans les maladies de l'homme et des animaux ainsi que dans certaines industries, comme celles du vin et de la bière. En outre, Pasteur démontra que les microbes naissent des microbes et que la génération spontanée n'existe pas.
- La théorie cellulaire avec Schleiden chez les végétaux et Schwann chez les animaux. Tous les organismes sont faits de cellules. La cellule est l'unité du vivant. C'est le plus petit élément ayant toutes les propriétés du vivant. La reproduction se fait par la fécondation, c'est-à-dire la fusion de deux cellules sexuelles : spermatozoïde et ovule. Le développement de l'embryon se fait à partir de l'Suf ainsi formé, par la multiplication des cellules et leur différenciation en cellules spécialisées (musculaires, nerveuses, hépatiques, etc.).
- La théorie de l'évolution avec Darwin. Le monde vivant tel que nous le voyons autour de nous, y compris nous-mêmes les humains, est le résultat de l'histoire de la Terre. Les espèces dérivent les unes des autres par un mécanisme imaginé par Darwin et appelé sélection naturelle. En fin de compte, tous les êtres vivants descendent de un -ou d'un très petit nombre- d'organismes initiaux. Ce qui conduit à poser la question de l'origine de cet organisme, c'est-à-dire l'origine du vivant.
Au début du XXème siècle ce sont développées deux disciplines nouvelles : la biochimie et la génétique. La biochimie cherche à analyser les constituants et les réactions de la cellule. C'est avec elle que l'expérimentation trouve un accès à la chimie du vivant. Elle analyse un nombre considérable de réactions relativement simples. Elle suit les transformations par quoi se constituent les réserves d'énergie et s'élaborent les matériaux de construction.
Quand on analyse les composants de la cellule, on constate que celle-ci est formée de molécules de deux types : des petites molécules et de très grosses molécules. Les petites molécules sont formées par une chaîne de réactions successives. A chaque étape un petit groupe d'atomes est ajouté ou retranché. Chaque réaction est catalysée de manière spécifique par un enzyme particulier.
Les grosses molécules sont fabriquées de manière très différente. Ce sont des polymères formés par la répétition d'une même réaction. A chaque étape est ajouté un même type de petite molécule. Ces polymères peuvent ainsi contenir des centaines, voire des milliers de résidus. Il en existe deux sortes qui jouent chacune un rôle primordial dans la cellule :
- les acides nucléiques sont des polymères de ce que les chimistes appellent des bases puriques et pyrimidiques, présentes au nombre de quatre ; il en existe deux types : l'acide désoxyribonucléique (ADN) qui assure la conservation et la reproduction de l'information cellulaire ; l'acide ribonucléique (ARN) qui sert surtout aux transferts d'information.
- les protéines sont des polymères d'acides aminés dont il existe vingt sortes. Les protéines servent à déterminer les structures de la cellule et à former les enzymes, les catalyseurs des réactions chimiques.
Plus se précisent la composition des êtres vivants et les réactions dont elles sont le siège, moins elles se distinguent de celles réalisées au laboratoire. L'originalité des êtres vivants réside surtout dans les enzymes, dans leur fonction de catalyseurs. C'est grâce à la précision, à l'efficacité et à la spécificité de la catalyse enzymatique que peut se tisser le réseau de toutes les opérations chimiques dans l'espace minuscule de la cellule. Ces activités enzymatiques sont associées à la présence de protéines. Si la chimie des êtres vivants a un secret, c'est dans la nature et les qualités des protéines qu'il faut le chercher.
L'autres domaine nouveau, la génétique est née avec le siècle et a grandi avec lui. Les travaux de Mendel, exécutés et publiés dans les années 1860, n'avaient pas retenu grande attention. Ils sont "redécouverts" au début du siècle par plusieurs biologistes simultanément. Ils conduisent à l'idée que le "caractère", ce qu'on voit, est sous-tendu par une "particule" qu'on ne voit pas, qui est cachée au cSur de la cellule. Cette particule a été appelée "gène". Depuis lors, la génétique a poursuivi une recherche inlassable pour tenter de comprendre ce qu'est un gène, son fonctionnement, ses propriétés. Et plus nous avons appris, plus il est apparu clairement que les gènes se situent au cSur de toute cellule, de tout organisme, que la génétique sous-tend toute la biologie.
Le premier tiers du siècle a été occupé par une recherche de mutations chez divers animaux et végétaux ainsi que par des croisements entre organismes différant par plusieurs mutations. La démonstration qu'un gène donné occupe une position précise, qu'on peut lui assigner une place sur un chromosome particulier, date de 1910. L'arrangement linéaire des gènes sur un chromosome et la première carte génétique avec plusieurs marqueurs furent publiés en 1913.
Tant que les généticiens ont circonscrit leurs recherches à l'étude d'organismes complexes, ils ont surtout repéré des gènes gouvernant des traits de morphologie ou de comportement. Mais à la fin des années 1930 est apparu, chez les généticiens, un intérêt nouveau pour la biochimie. L'analyse génétique a été étendue aux microorganismes. Elle a permis de déceler des gènes déterminant des réactions biochimiques. Il est ainsi devenu possible de disséquer les voies métaboliques, d'établir l'ordre des réactions successives, de montrer que la catalyse de chaque étape, dont la protéine qui sert de catalyseur, est sous la dépendance d'un gène spécifique.
Pendant toute cette période, les gènes apparaissaient comme des "êtres de raison", des structures imaginaires requises pour rendre compte des faits connus. Personne n'en avait jamais vu. On ne pouvait ni les purifier, ni les mettre en bouteille. On les représentait le plus souvent comme d'hypothétiques perles enfilées sur d'hypothétiques fils, correspondant aux chromosomes. Avec les travaux montrant que c'est l'acide désoxyribonucléique, l'ADN, qui est porteur des traits héréditaires chez les bactéries et les virus, le gène jusque-là pure construction mentale, commençait à prendre de l'épaisseur, de la consistance.
Au milieu de ce siècle, survint un changement nouveau dans la manière de considérer les organismes vivants. Cette transformation, qui correspondait à la naissance de la biologie moléculaire, est partie d'une idée que l'expérimentation est venue étayer seulement après coup. L'idée était que les propriétés des êtres vivants doivent nécessairement s'expliquer par la structure et les interactions des molécules qui les composent. Cette conception était due à un groupe de physiciens notamment Bernal, Niels Bohr, Delbrück, Schrödinger pour qui toute explication biologique devait avoir une base moléculaire. Quitte à trouver des lois nouvelles qui, sans échapper à la physique, auraient pu n'être découvertes que chez les êtres vivants. Ce qui, jusqu'à ce jour n'a pas été observé.
C'est en pathologie qu'a été obtenue la première explication moléculaire avec l'étude de l'hémoglobine dans l'anémie falciforme. Mais c'est surtout la connaissance de la structure moléculaire de l'ADN qui devait prouver de façon éclatante le bien-fondé de la manière de voir des physiciens et donner un fondement à la biologie moléculaire. Avec la structure proposée par Watson et Crick venait se résoudre, dans les propriétés d'une molécule, l'une des plus grandes questions posées à l'humanité, l'hérédité.
La biologie moléculaire a tout d'abord centré ses recherches sur les structures les plus simples : bactéries et virus. L'avantage des bactéries, c'est que, à partir d'un individu, on peut, en quelques heures, obtenir une population homogène de quelques milliards d'individus. Et inversement, à partir d'une population de milliards d'individus, on peut isoler un mutant particulier pour peu que l'on sache imaginer un milieu sélectif permettant la multiplication de ce seul mutant. D'où l'intérêt de ces bactéries pour les biochimistes et les généticiens. Après les travaux de Pasteur, on ne s'est intéressé aux microbes que pour leur rôle dans les maladies des hommes et des animaux ou dans l'industrie. Telle était leur importance dans ces domaines que leur étude biologique en fut éclipsée. Au milieu de ce siècle, il devint clair que les bactéries étaient formées des mêmes composés chimiques que tous les organismes vivants. Et aussi que, comme les autres organismes, ils possédaient des gènes localisés sur un chromosome.
Les travaux effectués au milieu de ce siècle démontrèrent ainsi l'unité de structure et de fonction du monde vivant. Et pour l'étude de nombreux problèmes les bactéries apparurent alors comme un matériel particulièrement favorable. Quant aux virus, ils sont si petits qu'on peut les voir, non au microscope optique, mais seulement au microscope électronique. On s'est longtemps demandé si les virus étaient vivants. Aujourd'hui, la réponse est clairement non. Ce ne sont pas des organismes vivants. Placés en suspension dans un milieu de culture, ils ne peuvent ni métaboliser, ni produire ou utiliser de l'énergie, ni croître, ni se multiplier, toutes fonctions communes aux êtres vivants. Les virus sont dépourvus de tout équipement enzymatique. Ils ne peuvent se multiplier qu'au sein d'une cellule où ils ont pénétré par infection, en utilisant à leur profit l'équipement enzymatique de la cellule.
La biologie moléculaire est longtemps restée confinée à l'étude des bactéries et des virus. Les organismes multicellulaires demeuraient hors d'atteinte d'une telle analyse. Leur ADN présentait une complexité qui défiait les possibilités de la génétique moléculaire. Et puis, peu à peu, on a appris à manier cet ADN. On a trouvé le moyen d'en couper les longs filaments en des points choisis, d'en raccorder les fragments, d'en insérer des segments dans un chromosome. Toutes ces manipulations connues sous le nom de génie génétique. Il est ainsi devenu possible de manipuler les énormes quantités d'ADN contenus dans le génome des organismes complexes.
En quelques années, ce fut alors une transformation totale de la manière de considérer et d'étudier les êtres vivants, leur fonctionnement, leur évolution. L'exigence d'explication moléculaire a gagné les branches les plus diverses de la biologie, la biologie cellulaire, la virologie, l'immunologie, la physiologie, la neurobiologie, l'endocrinologie, etc. Dans la période qui a suivi, et dans laquelle nous sommes encore, cette nouvelle manière de voir le monde vivant a apporté, dans la plupart des domaines de la biologie, une extraordinaire moisson de données nouvelles. C'est une période de raffinement et d'exploitation. Un effort technologique sans précédent a permis d'affiner les méthodes en jeu dans l'analyse des macromolécules, acides nucléiques et protéines. Pour un étudiant commençant aujourd'hui et pénétrant pour la première fois dans un laboratoire, il est difficile d'imaginer ce qu'était, il y a encore vingt ou vingt-cinq ans, l'étude des protéines et surtout des acides nucléiques. Aujourd'hui, ce même étudiant apprend en quelques semaines à découper en morceaux le génome de n'importe quel organisme ; à isoler des fragments et purifier des gènes ; à en produire des grammes, à en faire la séquence ; à réassortir avec n'importe quel autre fragment d'ADN n'importe quel gène ou n'importe quelle séquence ; à injecter un gène dans une cellule et même dans le noyau d'un Sufs fécondé. Bref en quelques semaines, il apprend à bricoler en laboratoire, comme un vulgaire moteur de 2 CV, la molécule même de l'hérédité. La stupéfaction a été de constater que les chromosomes, ces structures naguère encore considérées comme pratiquement intangibles, sont en réalité l'objet de remaniements permanents, que la molécule de l'hérédité est raboutée, modifiée, coupée, rallongée, raccourcie, retournée. Bref que notre présence sur cette terre est le résultat d'un immense bricolage cosmique.
Car aujourd'hui, aucun biologiste ne met plus en doute que le monde vivant, tel que nous le voyons autour de nous, est le résultat d'une évolution qui a duré plusieurs milliards d'années. C'est un fait aujourd'hui admis même par l'Église catholique. Rien de ce que l'on a appris depuis 100 ans, et en particulier les résultats de la biologie moléculaire, ne peuvent s'expliquer sans la théorie de l'évolution. Il y a en biologie un grand nombre de généralisation mais fort peu de théories. Parmi celles-ci, la théorie de l'évolution l'emporte de beaucoup en importance sur les autres parce qu'elle rassemble, dans les domaines les plus variés, une masse d'observations qui sans elle resteraient isolées ; parce qu'elle lie entre elles toutes les disciplines qui s'intéressent aux êtres vivants ; parce qu'elle instaure un ordre dans l'extraordinaire variété des organismes et les unit étroitement au reste de la terre ; bref parce qu'elle fournit une explication causale du monde vivant et de son hétérogénéité. Mais si tout le monde biologique admet aujourd'hui le rôle de l'évolution dans la genèse du monde vivant, des désaccords subsistent sur certains aspects des mécanismes en jeu. C'est le propre d'une théorie scientifique d'être discutée dans ses détails et de donner lieu à de nouvelles recherches.
La biologie moléculaire permet d'éclairer plusieurs des questions qui se posent à propos de l'évolution. Ici je voudrais en évoquer seulement deux. La première est la question de savoir si -et comment- les molécules des différents organismes sont différentes. On a longtemps pensé qu'elles étaient entièrement différentes. Et même que c'était la nature de leurs molécules qui donnait aux organismes leurs propriétés et particularités. En d'autres termes que les chèvres avaient des molécules de chèvre et les escargots des molécules d'escargot. Que c'étaient les molécules de chèvre qui donnaient à la chèvre ses particularités.
Peu à peu, à mesure que s'amélioraient les moyens d'analyse des protéines et des gènes, à mesure qu'on étudiait des organismes plus nombreux, on s'est aperçu que certaines molécules, comme l'hémoglobine par exemple, ou les hormones, étaient les mêmes ou presque, chez les organismes très différents. Progressivement, il est ainsi apparu que tous les animaux, tous les êtres vivants sont apparentés à un point naguère encore soupçonnable. Gènes et protéines ne sont plus chacun des objets uniques, des idiosyncrasies propres à une espèce. On retrouve des structures extrêmement voisines d'une espèce à une autre. Mieux, dans une même espèce, on retrouve souvent des structures extrêmement voisines assurant des fonctions très différentes. En outre, on voit souvent des segments de séquence commune insérés parmi des séquences différentes. Gènes et protéines sont pour la plupart des sortes de mosaïques formées par l'assemblage de quelques éléments, de quelques motifs portant chacun un site de reconnaissance. Ces motifs existent en nombre limité, mille ou deux mille. C'est la combinatoire de ces motifs qui donne aux protéines leur infini variété. C'est la combinaison de quelques motifs particuliers qui donne à une protéine ses propriétés spécifiques.
L'élément de base, celui qui est directement impliqué dans la chimie de la cellule, c'est le site de reconnaissance contenu dans un domaine protéique. La reconnaissance moléculaire avait semblé, tout d'abord, limitée à l'interaction entre enzyme et substrat ou entre antigène et anticorps. On lui attribue maintenant le premier rôle dans toute une série de phénomènes : polymérisation des protéines pour former des structures telles que les protéines du muscle, le cytosquelette, les ribosomes, les capsides des virus ; interaction protéine-ADN dans la régulation de l'activité des gènes ; interaction récepteur-ligand dans toute une série de phénomènes, telle la transduction des signaux ou les interactions de cellules, l'adhérence cellulaire, etc. Nombre de sites de reconnaissance moléculaire persistent sans changement à travers toute l'évolution. De sorte qu'on les retrouve à peu près identiques chez les organismes les plus variés.
On voit les changements apportés ainsi dans la manière de considérer l'évolution biochimique. Tant que chaque gène, donc chaque protéine, était regardé comme un objet unique, résultat d'une séquence unique de nucléotides ou d'acides aminés, chacun d'eux ne pouvait se former que par une création nouvelle, de toute évidence hautement improbable. Mais l'existence d'importantes familles de protéines de structures identiques, la formation de protéines en mosaïque formées de motifs retrouvés dans de nombreuses protéines, ce fait surprenant que, au cours de l'évolution, les protéines conservent leurs motifs spécifiques et leurs sites actifs malgré une énorme diversification morphologique, tout cela montre bien que l'évolution procède de manière bien différente de ce qu'on avait cru jusque-là. En fait, l'évolution biochimique paraît fonctionner selon deux principes, concernant l'un la création de molécules nouvelles, l'autre leur sélection.
La part créative de l'évolution biochimique ne se fait pas à partir de rien. Elle consiste à faire du neuf avec du vieux. C'est ce que j'ai appelé le "bricolage moléculaire". Les premiers gènes ont dû se former à partir de courtes séquences de nucléotides, trente ou quarante. Ces segments se sont ensuite agrandis, soit en s'aboutant les uns aux autres, soit en se dédoublant chacun une ou plusieurs fois. On trouve, en effet, dans de nombreux gènes la trace de une, deux, trois ou même plusieurs duplications successives suivies de diversifications plus ou moins importantes. La duplication soit de segments d'ADN, soit de gènes entiers paraît être l'un des grands modes de bricolage moléculaire. C'est par duplications successives que ce sont formées les nombreuses familles de gènes comme ceux des hémoglobines, de nombreux facteurs de régulation ou les gènes de la famille des immunoglobulines qui remplissent des fonctions voisines, reconnaissance d'antigènes, adhérence cellulaire ou guidage des axones.
Second mode de production des gènes : le réassortiment de fragments préexistant pour former des gènes mosaïques. Là intervient aussi l'aspect sélection. Une formidable surprise a été de constater, chez les protéines, la persistance, presque l'intangibilité, au cours de l'évolution, des motifs de reconnaissance spécifiques. Cette stabilité, malgré l'énorme variété des espèces, s'explique par les fortes contraintes pesant sur ces sites de reconnaissance, base de toutes les interactions moléculaires ; donc de toutes les activités chimiques de la cellule. Il est nécessaire de conserver la spécificité des interactions moléculaires. D'où une inertie, à travers l'évolution, des structures en jeu. Cette inertie s'applique au segment d'un gène, un segment codant ou exon, qui détermine ce site de reconnaissance. Elle ne s'applique pas aux segments non codant du gène ou introns. Ni au voisinage, à la nature des segments qui jouxtent l'exon en cause. Introns et segments d'ADN voisins peuvent donc varier librement. D'où le second mode de bricolage moléculaire : le réassortiment de fragments d'ADN, d'exons, pour former des molécules mosaïques.
Une fois encore, c'est donc une combinatoire d'éléments en nombre limité qui produit une énorme variété de structures pour former les principaux constituants cellulaires. L'évolution biochimique ne repose que secondairement sur des mutations comme on l'avait longtemps cru. Elle est due avant tout à la duplication de segments d'ADN et à leur réassortiment. Dans cette évolution existent de véritables points fixes, des îlots formés par les sites de reconnaissance spécifique. Autour des segments d'ADN qui les codent, s'échangent plus ou moins librement, comme une sorte de ballet, d'autres fragments d'ADN. Dans ces conditions, les structures de base, les sites de reconnaissance se retrouvent dans tous les organismes dans des contextes qui peuvent être à chaque fois différents. L'ensemble du monde vivant ressemble ainsi à une sorte de Meccano géant. Les mêmes pièces peuvent être démontées et remontées de façon différente, de manière à produire des formes différentes. Mais à la base, ce sont toujours les mêmes éléments qui sont utilisés.
La structure en mosaïque des gènes et des protéines donne à celles-ci des possibilités d'interactions multiples. La formation de complexes protéiques, parfois très volumineux, accroît encore des possibilités. C'est ainsi que pour réaliser certaines opérations de base de la cellule, comportant des réactions et interactions multiples, des ensembles spécifiques sont mis en Suvre. C'est le cas notamment d'opérations impliquées dans la division de la cellule ou d'interactions cellules-cellules ou de certaines étapes de morphogenèse. Les gènes d'un ensemble qui assure de telles opérations sont liés par les reconnaissances cellulaires qui associent étroitement leurs produits. L'ensemble des gènes qui gouvernent la division de la cellule sont les mêmes chez la levure et chez l'homme. Ils ont conservé leurs fonctions et une bonne part de leurs structures au long d'une évolution qui s'étend sur plus de cinq cent millions d'années. De tels ensembles ont été baptisés "syntagmes" par Antonio Garcia-Bellido. Ils fonctionnent comme des sortes de modules utilisés dans l'architecture de toutes les cellules.
C'est aussi une construction en modules régis par des ensembles de gènes que l'on observe dans le développement embryonnaire de nombreuses espèces. Peut-être même de toutes. Les organismes, insectes notamment, paraissent se développer sous forme de segments répétés, c'est-à-dire de modules multicellulaires. Tout d'abord identiques, ces modules se différencient secondairement de manière spécifique sous l'effet d'ensembles de gènes régulateurs, tels les homéogènes. Le rôle de ces gènes est de modifier les règles qui régissent le développement du module type. Ils définissent ainsi un territoire bien défini et donnent à chaque segment une identité particulière. Chacun de ces territoires, de ces segments est défini par la combinaison de plusieurs homéogènes qui fonctionnent en parallèle dans les mêmes cellules. De la même façon, la différenciation terminale, qui produit les différents types cellulaires observés dans le corps, utilise des ensembles de gènes conservés qui opèrent de concert. Par exemple, pour produire cellules musculaires ou cellules nerveuses chez tous les organismes étudiés, du nématode à l'être humain. Le monde vivant comprend des bactéries et des baleines, des virus et des éléphants, des organismes vivants dans les régions polaires à -20°C. Mais tous ces organismes présentent une remarquable unité de structures et de fonctions. Ce qui distingue un papillon d'un lion ou une poule d'une mouche, c'est moins une différence dans les constituants chimiques que dans l'organisation et la distribution de ces constituants. Parmi les groupes voisins, les vertébrés, par exemple, la chimie est la même. Ce qui rend un vertébré différent d'un autre, c'est plus un changement dans le temps d'expression et dans les quantités relatives des produits des gènes au cours du développement de l'embryon que les petites différences observées dans la structure de ces produits.
Dans la nature, la complexité naît souvent d'une combinatoire : combinatoire de particules pour former les atomes, combinatoires d'atomes pour former les molécules, combinatoire de cellules pour former les organismes. C'est aussi le processus qui sous-tend la formation des gènes et des protéines : combinatoire de fragments ayant chacun une fonction spécifique et qui se réassortissent à l'infini pour jouer des rôles variés. Un petit nombre de ce ces fragments d'ADN suffit ainsi à former un nombre considérable de gènes.
Une surprise a été de découvrir à quel point les molécules sont conservées au cours de l'évolution. Pas seulement les protéines de structure comme les hémoglobines des globules rouges, les actines et les myosines des muscles ou les kératines des cheveux et des ongles. Pas seulement les enzymes comme la pepsine et la trypsine qui interviennent dans la digestion ou les cytochromes qui interviennent dans la respiration. Mais aussi les protéines de régulation qui dirigent par exemple le développement de l'embryon et déterminent la forme de l'animal. Deux exemples suffisent à montrer cette surprenante conservation des molécules. Chez la mouche, qui jouit d'un long passé génétique, ont été mis en évidence les gènes qui assurent, dans l'Suf, la mise en place des axes du futur embryon, puis ceux qui déterminent le destin et la forme de chacun de ces segments. A la stupéfaction générale, ces mêmes gènes ont été retrouvés chez tous les animaux examinés : coup sur coup, grenouille, ver, souris et homme. Qui eut dit, il y a encore quinze ans, que les gènes qui mettent en place le plan d'un être humain sont les mêmes que ceux fonctionnant chez une mouche ou un ver. Il faut admettre que tous les animaux existant aujourd'hui sur cette terre descendent d'un même organisme ayant vécu il y a six cent millions d'années et possédant déjà cette batterie de gènes.
Autre exemple non moins saisissant : les yeux. Il existe, chez les animaux, toute une série d'yeux bâtis sur des principes très différents. Notamment l'Sil à facettes des insectes et l'Sil à cristallin des céphalopodes et des vertébrés. Si différents que puissent être ces deux types d'Sil, ils utilisent pour leur construction, les mêmes gènes bricolés de façon différente pour produire des organes remplissant une même fonction mais d'architectures très différentes. Au cours de ce demi-siècle, on est ainsi allé de surprise en surprise. Au point que dans les quinze dernières années a émergé du monde vivant une vision complètement nouvelle.
Je voudrais discuter ici d'un autre problème, un redoutable problème qui vient en corollaire à la théorie de l'évolution. C'est la question de l'origine du vivant, de l'origine de la vie. D'un côté, Pasteur a montré une bonne fois pour toutes que la génération spontanée n'existe pas. Après lui, il n'y a plus de mouches qui naissent de vieux chiffons. Le vivant vient du vivant. Toute cellule vient d'une cellule. D'autre part, après Darwin, les espèces dérivent les unes des autres. Elles dérivent toutes de un ou d'un très petit nombre d'organismes très simples. D'où la question : comment s'est formé le premier organisme vivant ?
On estime aujourd'hui que la Terre s'est formée il y a quatre milliards et demi d'années. Combien de milliers d'évènements, totalement indépendants dont chacun aurait pu ne pas avoir lieu, ont dû se produire pour que se créent l'univers, notre galaxie, le système solaire et la Terre avec les conditions nécessaires à la vie, conditions qui n'existent pas sur les autres planètes du système solaire : l'eau, la distance au soleil qui permet juste de n'avoir ni trop chaud, ni trop froid. Pour évoquer l'origine de la vie, les biologistes doivent déployer toutes les ressources de leur imagination.
Le vivant semble être apparu assez vite, probablement moins d'un milliard d'années après la formation de la Terre, sous forme de ce qu'on pourrait appeler une "protobactérie". Qui dit vivant dit reproduction. Mais l'appareil de reproduction tel qu'on l'observe aujourd'hui chez l'organisme le plus simple, chez la bactérie la plus modeste se relève déjà d'une redoutable complexité. Car la seule duplication de l'ADN met en jeu un grand nombre de protéines. La synthèse de chacune de celles-ci exige un nombre et une diversité de macromolécules plus considérables encore. Cela pour la seule duplication de l'ADN. Sans parler de toutes les autres fonctions et réactions chimiques qui s'accomplissent au sein de la cellule bactérienne moderne. Il est donc exclu qu'un tel système soit sorti ainsi tout armé de la cuisse de Jupiter. D'où la nécessité d'imaginer des scénarios plus ou moins plausibles dans lesquels se serait progressivement construite une telle complexité.
Selon le scénario actuel, le monde vivant tel que nous le connaissons et que domine l'ADN aurait été précédé par un monde où c'était l'ARN qui l'emportait en fonctionnant aussi bien pour la reproduction que pour la catalyse de certaines réactions. Inutile de dire que la mise en place de ce monde à ARN et le passage à un monde à ADN impliquent un nombre considérable d'étapes toutes plus improbables l'une que l'autre. Il est vraisemblable que l'on pourra préciser certains aspects de ce scénario, affiner certaines des hypothèses. Mais beaucoup de celles-ci ne se prêtent ni à une reconstruction en laboratoire, ni à une vérification expérimentale. En d'autres termes, s'il paraît clair que microbes, champignons, plantes, animaux, humains, bref nous autres vivants, nous descendons tous de quelque protobactérie initiale, nous ne sommes pas près de connaître dans le détail le véritable visage que présentait notre ancêtre commun.
Quand on considère l'origine de la vie, il faut admettre que, en quelque huit ou neuf cent millions d'années, des milliers d'évènements, chacun fortement improbable, se sont succédés pour permettre le passage d'une Terre sans vie à la vie d'un monde à ARN puis à un monde à ADN. De toute évidence, une pareille histoire paraît aux non initiés aussi difficile à accepter que la Création racontée par la Théogonie d'Hésiode, ou par les Upanishads ou par la Bible. Et encore, les récits mythiques semblent-ils bien souvent plus près du sens commun que les discours des biochimistes et des biologistes moléculaires.
Quant à ces derniers, placés devant les difficultés d'un problème qui risque de ne pas recevoir avant longtemps de solution, ils ont recours à trois hypothèses possibles. Les uns, et parmi les plus grands, considèrent l'apparition de la vie sur la Terre comme tellement improbable qu'ils préfèrent, mi par jeu, mi-sérieusement invoquer une sorte de panspermie. Des germes vivants seraient arrivés sur la terre à bord d'un vaisseau spatial envoyé d'une planète lointaine par une civilisation plus évoluée que la nôtre. Ce qui, bien entendu, ne fait que reculer le problème d'un cran. C'est l'opinion la plus rare.
D'autres considèrent que l'apparition du vivant sur la Terre était tellement improbable qu'elle ne s'est sans doute produite qu'une seule fois. Elle résulte d'une suite d'évènements, dont chacun aurait pu ne pas se produire, qu'il aurait aussi bien pu ne jamais y avoir de monde vivant sur la Terre. Les mêmes scientifiques ont également tendance à croire qu'il n'y a probablement pas d'autres habitants, et notamment pas d'autres habitants conscients dans l'univers.
Enfin, une troisième catégorie de scientifiques montre une attitude toute différente. Ils considèrent que toutes les étapes impliquées dans l'avènement d'un monde à ARN, puis dans le passage à un monde à ADN, sont des réactions chimiques ordinaires. Elles ne peuvent donc manquer de se produire si suffisamment d'occasions, donc de temps, leur sont données. Pour eux, le vivant ne pouvait donc pas ne pas se former sur la Terre. En outre, sensibles aux arguments des astrophysiciens pour qui l'univers contient un grand nombre de planètes dont les propriétés doivent être semblables à celles de la Terre, ils considèrent qu'il doit exister, dans l'univers, un grand nombre de foyers de vie et même probablement de vie consciente.
En l'état actuel des connaissances, le choix entre ces deux dernières options est avant tout une question de goût. Certains préfèrent cultiver l'exception que représenterait une vie restreinte à la Terre et, comme conséquence, l'unicité de la conscience humaine pour réfléchir sur l'univers et ce qui l'habite. Les autres, au contraire, préfèrent croire à la banalité du vivant dont ils pensent que les propriétés sur d'autres planètes ne pourraient être très différentes de celles observées sur la Terre. Convaincus, d'autre part, qu'une fois mise en route la vie doit nécessairement conduire à la conscience, ils s'efforcent de trouver des moyens d'entrer en contact avec les autres civilisations qui, d'après eux, doivent occuper d'autres régions de l'univers.
Jusqu'ici, toutefois, aucune trace d'un signal venu de la galaxie ou d'autres galaxies n'a pu être obtenu. Dans une série d'observatoires distribués à travers le monde on s'efforce de déceler un tel signal en utilisant les longueurs d'ondes les plus variées. Jusqu'ici en vain. Il faut dire qu'il y a des questions de distance ! Récemment l'attention a été attirée sur une météorite qui pourrait venir de la planète Mars et qui pourrait contenir une structure rappelant celle des plus vieilles structures vivantes trouvées sur la Terre. Mais les arguments avancés ne sont guère convaincants. Cette affaire paraît relever de la publicité pour la NASA en vue de ses prochains vols spatiaux vers Mars.
On voit ainsi que la science a, depuis un ou deux siècles, considérablement réduit ses ambitions par les questions qu'elle pose et les réponses qu'elle cherche. De fait, le début de la science moderne date du moment où aux questions générales se sont substituées des questions limitées. Où au lieu de se demander : "Comment l'univers a-t-il été créé ? De quoi est faite la matière ? Qu'est-ce que la vie ?", on a commencé à se demander : "Comment tombe une pierre ? Comment l'eau coule-t-elle dans un tube ? Quel est le cours du sang dans le corps ?". Ce changement a eu un résultat surprenant. Alors que les questions générales ne recevaient que des réponses limitées, les question limitées se trouvèrent conduire à des réponses de plus en plus générales. Cela s'applique encore à la science d'aujourd'hui. C'est pourquoi on n'interroge plus la vie aujourd'hui dans les laboratoires. On ne cherche plus à en cerner les contours. On s'efforce seulement d'analyser des systèmes vivants, leurs structures, leurs fonctions, leur histoire.
Il ne faut donc pas demander au scientifique de définir la vie. Mais chacun de nous sait ce qu'est la vie. Chacun de nous sait combien elle est fragile. Chacun de nous en connaît l'infini du possible et la merveilleuse diversité. Chacun de nous sait qu'il n'est pas sur la terre de bien plus précieux que la vie. Que c'est même le seul bien de ce monde. Que de donner la vie, ou plutôt transmettre la vie à un enfant, est l'acte le plus profond que puisse accomplir un être humain. "La vie ne vaut rien, disait Malraux, mais rien ne vaut la vie".

 

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  NANOBIOLOGIE : LA MICROMANIPULATION DES MOLÉCULES
 

 

 

 

 

 

 

NANOBIOLOGIE : LA MICROMANIPULATION DES MOLÉCULES

Si l'on regarde une cellule vivante sous le microscope optique, il y a à l'évidence de nombreux phénomènes dynamiques actifs comme : la division et les mouvements cellulaires, le transport d'objets dans la cellule ou encore la formation et disparition de structures intracellulaires comme les organelles. Des macromolécules complexes, qui jouent le rôle de petites machines à l'échelle moléculaire, sont à l'origine de ces phénomènes actifs. Ces molécules agissent en grand nombre dans une cellule vivante, invisible dans le microscope optique du fait de leur petite taille de l'ordre de quelques nanomètres. Les prototypes de ces molécules sont les moteurs moléculaires qui consomment un carburant chimique qu'ils transforment en travail mécanique. Dans les dix dernières années, des techniques de micromanipulation ont permis d'étudier les propriétés mécaniques de ces molécules à l'échelle d'une molécule unique. Des techniques de fluorescence et de pince optique permettent de mesurer des forces de l'ordre de piconewtons et des déplacements de quelques nanomètres. Il existe toute une diversité de moteurs moléculaires : des moteurs linéaires qui se déplacent le long de filaments rigides ; des moteurs rotatifs, qui tournent dans une membrane cellulaire ; des systèmes de moteurs qui génèrent des mouvements oscillatoires, permettant la nage de certains organismes unicellulaires. Enfin, il y a des molécules qui se déplacent le long de la double hélice de l'ADN, le porteur du code génétique. Ces molécules ouvrent l'hélice, dupliquent le code ou créent une copie sur un brin d'ARN. L'étude des propriétés physiques de molécules individuelles par des techniques de micromanipulation est importante pour mieux comprendre leur fonctionnement dans des structures biologiques complexes. Finalement, la fusion de structures artificielles nanotechnologiques avec des molécules individuelles biologiques permet de créer artificiellement des systèmes moléculaires actifs qui représentent un premier pas vers une technologie de moteurs moléculaires.

Transcription* de la 400e conférence de l'Université de tous les savoirs prononcée le 17 janvier 2002
Nanobiologie : la micromanipulation des molécules par Frank Jülicher
Cette série de conférences sur les nanotechnologies souligne les efforts actuels pour développer des techniques de manipulation des structures et des objets à l'échelle moléculaire, de quelques nanomètres (nm). L'objectif de ces recherches est de créer des structures artificielles complexes et de développer une véritable technologie à cette échelle sous-microscopique.
Les cellules vivantes ont créé des macromolécules biologiques et des nano-objets complexes qui sont à la fois des exemples et une source de motivation pour ce que nous tentons de réaliser artificiellement par des nouvelles techniques. Ces nano-objets sont très intéressants dans plusieurs perspectives :
D'une part, l'étude des macromolécules biologiques est essentielle pour la compréhension du fonctionnement des cellules vivantes.
De plus, les macromolécules biologiques constituent des exemples de nano-objets avec des fonctions très diverses comme par exemple de véritables moteurs à l'échelle moléculaire. Ils sont donc la preuve que les fonctionnements complexes à l'échelle moléculaire sont tout à fait possibles en principe et qu'ils sont déjà réalisés dans la nature.
Par ailleurs, l'étude de ces nano-objets biologiques permet également d'étudier les particularités et les limitations d'un fonctionnement à l'échelle moléculaire et de les distinguer du fonctionnement des technologies habituelles macroscopiques. Par exemple, à l'échelle moléculaire, les fluctuations sont très importantes car les macromolécules fonctionnent de manière stochastique et non pas de manière déterministe.

Enfin, les nouvelles technologiques de micromanipulation permettent aujourd'hui d'étudier les propriétés et les comportements des macromolécules biologiques au niveau des molécules individuelles.
Dans cet exposé, nous allons présenter des exemples de macromolécules biologiques capables de générer des mouvements et des forces au niveau de la molécule individuelle. Ces systèmes sont importants pour les phénomènes actifs dans les cellules vivantes comme par exemple la division cellulaire, le mouvement créé dans les cellules, le transport des composants dans les cellules et aussi la contraction musculaire.
Dans un premier temps nous allons présenter l'organisation des cellules et l'importance des phénomènes actifs et des structures moléculaires cellulaires.
À l'échelle macroscopique, vous trouvez les cellules des animaux et des plantes qui peuvent avoir une taille d'un dixième de millimètre soit 100 micromètres. Les bactéries sont déjà plus petites et sont de l'ordre de 1 micromètre. Elles restent visibles par microscopie optique, technique qui est limitée par la longueur d'onde de la lumière visible. Les échelles plus petites sont celles des nano-objets complexes comme les virus, qui sont de l'ordre de 100 nanomètres. Encore plus petites, les protéines sont les macromolécules les plus importantes des cellules vivantes. Elles peuvent être constituées de milliers d'atomes et avoir une structure tridimensionnelle très complexe. La taille typique d'une protéine est 10 nanomètres. Une autre macromolécule importante est l'ADN qui porte le code génétique. Elle peut être très longue avec un diamètre de 1 à 2 nanomètres. Viennent ensuite des molécules plus petites comme les lipides qui constituent les membranes biologiques. Finalement, en dessous du nanomètre, on trouve des petites molécules comme l'eau et les atomes.
Tout ce monde inférieur au micromètre, visible uniquement avec un microscope électronique, est présent dans les cellules vivantes. Un grand nombre de macromolécules ont des rôles actifs très spécifiques.

Une cellule vue au microscope optique présente un grand nombre de structures diverses, des organelles qui ont des rôles variés et spécifiques. Une activité dynamique, le transport des organelles et des matériaux, s'y déroule grâce aux protéines qui existent en très grand nombre et jouent un rôle dans tous les processus actifs.
Avant la division cellulaire, les chromosomes des cellules se condensent pour pouvoir se dupliquer. Cette opération est réalisée grâce à un grand nombre de protéines qui se fixent alors sur l'ADN. Ensuite, les chromosomes subissent un mouvement assez irrégulier. Ils s'alignent, puis des structures moléculaires, des moteurs, les tirent depuis les coins opposés de la cellule pour les séparer. La cellule peut alors se diviser et les chromosomes se décondensent, ce qui leur fait perdre leur identité visible. Cette activité dynamique dans la cellule, ces fluctuations, sont dues aux milliers de protéines qui travaillent ensemble. Elles créent ensemble un phénomène bien déterminé qui sépare les chromosomes.
Le monde des protéines n'est pas visible avec un microscope optique qui ne permet de distinguer que les grandes structures et les phénomènes qui se déroulent à l'échelle du micromètre. À cette échelle il n'est pas possible de voir l'existence de filaments, appelés microtubules, et qui sont organisés autour de deux centres aux pôles de la cellule. Ils croissent à partir de ces centres pour s'attacher aux chromosomes. Ils Suvrent dans des phénomènes qui permettent d'aligner les chromosomes. Ensuite, des petits moteurs utilisent la polarisation des filaments pour tirer les chromosomes vers les deux pôles de la cellule. Ces filaments appartiennent au cytosquelette des cellules eucaryotes - les cellules qui possèdent un noyau.
Le cytosquelette est un réseau tridimensionnel de filaments essentiels pour la stabilité et les propriétés mécaniques de toutes les cellules vivantes. Il est constitué de deux types de filaments : les microtubules et l'actine. Nous venons de voir que les microtubules sont impliqués dans la division cellulaire. Les filaments sont de vrais nano-objets biologiques qui se forment à partir d'unités identiques qui cristallisent pour former des structures linéaires de quelques nanomètres de diamètre. Il est très important de noter qu'il s'agit de structures polaires qui donnent une orientation. Cette orientation est essentielle pour les phénomènes de transports car elle donne une direction au mouvement.

Le cytosquelette est impliqué dans un grand nombre de phénomènes dynamiques des cellules vivantes, comme les divisions cellulaires. Les protéines les plus importantes impliquées dans cette activité sont les moteurs moléculaires. Elles sont capables au niveau d'une molécule individuelle d'induire du mouvement et des forces.
Un moteur moléculaire est une grande macromolécule, une protéine qui se lie spécifiquement à un des filaments du cytosquelette et qui est capable de créer des déplacements dans une direction donnée par la polarité. Si un objet est attaché à cette molécule, il peut être transporté dans la cellule. Trois familles de moteurs sont distingués : kinésine, dynésine, myosine. Les kinésines travaillent avec les microtubules alors que les myosines sont impliquées avec l'actine dans la contraction musculaire.
La création de mouvement nécessite un carburant, une source d'énergie. Dans le cas des moteurs moléculaires, la molécule de triphosphate adénosine (ATP) sert de carburant. Lors d'une réaction chimique elle perd un groupe phosphate, ce qui libère de l'énergie qui est utilisée pour faire bouger le moteur. Une molécule de carburant ATP se lie au moteur, une réaction chimique se produit, un phosphate P est coupé. Les deux produits de la réaction, diphosphate adénosine (ADP) et P, se détachent du moteur qui revient à son état initial. Une molécule de carburant a été consommée et a libéré de l'énergie.
Il est possible d'observer directement, sous le microscope, les mouvements générés par le moteur moléculaire. Des filaments sont greffés sur une surface de verre. Des petites billes artificielles de latex sont couvertes par des moteurs en très faible quantité. Par l'intermédiaire des moteurs, les billes ont tendance à s'attacher spécifiquement aux filaments. Lorsque le carburant est ajouté au système, les billes commencent à se déplacer le long des filaments. Pour chaque filament donné, les billes se déplacent dans le même sens car l'orientation du mouvement est donnée par la polarité des filaments.

L'étude des molécules in vitro ne se limite pas à l'observation des mouvements des molécules individuelles. Il est également possible de les manipuler en exerçant sur elles des forces extérieures et de mesurer les forces induites en utilisant des pinces optiques. Il s'agit de faisceaux lasers qui passent par l'objectif du microscope optique. Le faisceau est focalisé dans la région observée. La grande intensité de lumière et le fort champ électrique au focus du laser attirent les particules polarisées. En présence du focus, la bille subit une force qui l'attire. Si elle tente de se déplacer, elle doit le faire en travaillant contre cette force extérieure. Si le focus du laser suit le mouvement de la bille, la molécule de moteur est manipulée par l'application d'une force extérieure constante.
L'équipe américaine de Steve Block [Visscher, Schnitzer et Block, Nature 400, 184 (1999) et Schnitzer et Block, Nature 388, 386 (1999)] a suivi le mouvement de la bille par un laser, appliquant ainsi une force constante. L'observation du moteur à très grande résolution, quelques nanomètres, montre qu'il bouge de manière stochastique. Il bouge cependant en moyenne dans une direction en dépit des effets aléatoires et des fluctuations. Dans certaines conditions, il est possible d'observer que le moteur avance à petits bas qui correspondent à la périodicité des filaments sur lesquels il s'attache. La périodicité de 8 nm devient ainsi visible.
Cette technique de manipulation permet de caractériser des comportements mécaniques du moteur moléculaire au niveau d'une molécule individuelle. Il est possible d'imposer une force constante comme nous venons de l'expliquer, et de mesurer la vitesse moyenne réalisée par le système. Lorsqu'il n'y a pas de force extérieure qui s'exerce et que la concentration en carburant est assez élevée pour ne pas être limitante, la vitesse peut atteindre 1 micromètre par seconde. Si une force extérieure est appliquée et s'oppose au mouvement, le système va ralentir. Dans l'exemple que nous présentons, la force maximale que le système peut supporter est de quelques piconewton (1 pN = 10-12 N). Les forces générées par une seule molécule sont donc extrêmement faibles.
La contraction musculaire constitue notre second exemple de génération de mouvements et de forces par des molécules biologiques.
Un muscle est constitué d'un grand nombre de fibres parallèles. Chaque fibre musculaire est en fait une cellule vivante spécialisée pour créer des mouvements et se contracter. Une fibre musculaire observée plus en détail montre qu'elle est elle-même constituée de fibres plus petites appelées myofibrilles.

Chaque myofibrille contient des unités qui sont capables de se contracter : deux séries de tubes de filaments arrangés en parallèle. Il s'agit de filaments d'actine que nous avons déjà évoqués et de filaments créés par un assemblage de moteurs moléculaires appelés myosine. Les molécules de myosine interagissent en grand nombre avec l'actine et en présence de carburant elles font glisser les filaments les uns par rapport aux autres, créant la contraction de ces structures. Ces structures sont arrangées en série et en parallèle en très grand nombre ce qui permet la contraction musculaire à grande échelle que vous connaissez bien.
Il est possible de mesurer les phénomènes de génération de force des molécules de myosine sur l'actine au niveau d'une molécule individuelle. Dans un même temps, nous pouvons suivre comment les molécules de carburant sont consommées. [T. Yanagida, Cell 92, 161 (1998)]
Le principe de l'expérience est similaire à celui que nous avons présenté précédemment. Des moteurs de myosine purifiés sont attachés sur un substrat de verre. Deux pinces optiques sont utilisées pour manipuler un seul filament d'actine. Des billes sont attachées sur les filaments et deux focus de laser rapprochent les filaments des moteurs permettant de mesurer les mouvements des billes sous l'effet des forces extérieures et des moteurs.
Cette expérience permet également de mesurer la consommation de carburant en utilisant un carburant modifié fluorescent, capable d'émettre de la lumière lorsqu'il est éclairé par un laser. Un laser est placé en dessous du dispositif pour éclairer la région où se trouve le moteur. Lorsque le carburant se fixe au moteur il émet de la lumière. Le carburant est utilisé à très faible concentration pour pouvoir observer l'arrivée d'une molécule individuelle de carburant au niveau du moteur. Deux actions simultanées se produisent alors. Le filament se détache du moteur, ce qui est mesurable par le mouvement des billes, et de la lumière est émise par la molécule de carburant qui est éclairée. La réaction chimique se produit, le phosphate est coupé. Le moteur se fixe à nouveau au filament, le produit de la réaction chimique se détache du moteur au moment du mouvement du moteur et la lumière correspondant à la molécule de carburant s'éteint.
Cette expérience permet donc à la fois de suivre les très faibles déplacements de quelques nanomètres activement créés par la molécule individuelle, et d'observer le couplage direct avec la réaction chimique d'une seule molécule de carburant.
Ce qui est réellement observé, ce sont des traces lumineuses. Celle qui suit le mouvement de la bille présente des sauts très rapides qui correspondent aux changements du moteur. Ces derniers créent des petites déformations et des déplacements de 10 à 20 nanomètres. La trace qui suit la fluorescence émise par le carburant fait des sauts en même temps que le moteur, ce qui indique que le carburant a subi la réaction chimique et s'est détaché du moteur.
Les exemples que nous venons de voir constituent des moteurs linéaires qui se déplacent le long de filaments. Nous allons maintenant prendre un troisième exemple, celui d'une macromolécule capable de créer des rotations : un moteur rotatif. La structure de cette molécule, la synthase ATP qui produit l'ATP dans les cellules, est très complexe. Elle est constituée de deux parties. La première utilise un gradient de protons pour opérer une rotation à la suite de laquelle la seconde partie, appelée F1, utilise le travail mécanique de cette rotation pour créer le carburant ATP. La molécule est capable de se lier aux produits de la dégradation de l'ATP, ADP et P, pour créer à nouveau de l'ATP. La structure atomique de cette molécule est connue grâce aux travaux de diffusion de rayons X de John Walker qui a obtenu le prix Nobel en 1997 pour ces recherches.

L'équipe japonaise de Kinoshita [Kinoshita, Cell 93, 21 (1998)] a observé directement ces rotations. Les chercheurs ont purifié la partie F1 pour la greffer sur un substrat. Ils ont ensuite ajouté du carburant ATP. Le système travaille alors à l'envers et utilise l'ATP pour créer des rotations. Pour observer ces rotations, il faut attacher à la région qui tourne quelque chose de visible. Les chercheurs ont fixé par des techniques biochimiques un filament d'actine qui est suffisamment long pour être visible au microscope optique. Ils ont observé qu'en présence de carburant le filament tourne autour du point où se trouve le moteur. Il s'agit d'une preuve qu'une molécule individuelle peut produire des mouvements rotatifs. La synthase ATP constitue donc bien un moteur rotatif.
L'étude en détail des propriétés du mouvement rotatif de la synthase ATP permet de caractériser les propriétés stochastiques et mécaniques de ce système. À nouveau, l'expérience montre que les mouvements se font par petits pas selon un angle préférentiel de 120°. Le suivi de l'angle en fonction du temps montre ces pas et met en évidence que, de temps en temps, il y a des mouvements en arrière, des petites erreurs. Le système fonctionne donc de manière stochastique et « en moyenne » il tourne bien.
La connaissance de la structure atomique de la protéine synthase ATP permet d'avoir une certaine idée de comment le système change de conformation pendant qu'il tourne. Un modèle théorique a été développé. Il suppose qu'il y a trois angles préférés.
Quels sont maintenant les principes physiques qui sont à l'origine du fonctionnement d'un moteur qui travaille à l'échelle moléculaire individuelle. Nous allons discuter une certaine idée générale qui distingue ce genre de système ayant des moteurs macroscopiques.
Il y a deux conditions nécessaires pour qu'un système situé dans un environnement visqueux puisse produire des mouvements spontanés. Premièrement, la structure doit être asymétrique, c'est-à-dire qu'il doit y avoir une différence entre un mouvement vers la gauche et un vers la droite. Deuxièmement, une source d'énergie est indispensable pour bouger spontanément. Le principe de Curie (Pierre Curie) énonce que si ces deux conditions sont satisfaites, le système va bouger.
Par ailleurs, les moteurs à l'échelle moléculaire sont sujets à des fluctuations. Celles-ci peuvent être d'origine thermique. Ainsi, des petites molécules bougent de manière aléatoire, dans tous les sens, avec un mouvement très rapide, à température ambiante. D'autres fluctuations sont liées à la stochasticité et au fait que les réactions chimiques se passent de manière aléatoire.
Les chercheurs se sont demandés s'ils pourraient utiliser ces fluctuations et les transformer en mouvement dirigé par une certaine rectification. Dans les années 1960, Richard Freyman a eu l'idée d'utiliser un « cliquet thermique » pour rectifier les fluctuations. Il a utilisé une roue à dents avec des petites voiles placée dans un liquide à température ambiante. Des forces aléatoires agissent sur le dispositif et le font fluctuer dans les deux sens. Pour l'orienter dans une direction, il a utilisé une roue avec un cliquet qui bloque les mouvements ne permettant que les mouvements spontanés vers l'avant. Le mouvement est ainsi dirigé. Une source d'énergie est indispensable au mouvement. Le dispositif est placé en contact avec une différence de température qui fournit l'énergie nécessaire.


Pour appliquer ce genre de modèle au fonctionnement des moteurs macromoléculaires biologiques il faut apporter des modifications importantes. À l'échelle moléculaire il n'est pas possible, par exemple, de créer des gradients de température. Par contre, une structure asymétrique comme le filament, peut jouer le rôle de la roue à dents et du cliquet. La source d'énergie sera, dans ce cas, la réaction chimique. La répétition de la réaction chimique provoque la répétition du changement de conformation du moteur. Les changements de conformation sont sujets à des fluctuations qui peuvent être rectifiées grâce au filament asymétrique. Ce système est caractérisé comme un cliquet isothermique ayant comme source d'énergie la réaction chimique.
Il est possible de décrire la physique de la transduction de l'énergie chimique pour créer un mouvement du filament avec l'idée que la chimie induit des changements de conformation du moteur. Pour chaque conformation, on caractérise l'interaction entre le moteur et son filament par un paysage énergétique.
Un moteur avec une seule tête présente un état détaché qui ne contribue pas à la force et un état attaché avec un paysage énergétique dont les minima correspondent au site d'attachement. Le système trouve toujours les points où il est le mieux attaché. Le principe de Curie nous explique alors que si le système change périodiquement de conformation, il va avancer le long du filament.
Cette description peut être généralisée aux cas un peu plus complexes comme celui des moteurs à deux têtes identiques. Dans ce cas, une des têtes reste attachée au filament ce qui change le diagramme énergétique. De l'état relaxé, le diagramme va vers de nouveaux niveaux d'énergie où le système est mieux attaché. Le moteur avance le long du filament en changeant d'une tête à l'autre pendant qu'il avance.
Ce modèle permet une description quantitative du phénomène de transduction de l'énergie de sa forme chimique au travail mécanique. Il permet également de discuter la qualité de la transduction de l'énergie dans ces systèmes, qui est caractérisée par le rendement.


Le rendement correspond au travail produit par la molécule, divisé par l'énergie chimique consommée. L'énergie produite ne pouvant être plus grande que l'énergie consommée, l'optimum du rendement est 100 %. Cette quantité est en principe mesurable avec des techniques de micromanipulation. Par exemple, le travail mécanique est directement lié au produit de la force et de la vitesse qui sont mesurables, comme nous l'avons montré précédemment. L'énergie chimique consommée est liée à l'énergie libre de la réaction chimique qui prend place. Pour le cas du moteur rotatif, la synthase ATP, le rendement a été mesuré. Il est supérieur à 80 %, ce qui montre qu'un moteur travaillant en présence de fluctuations à très petite échelle, dans un environnement visqueux, est bien capable de transduire l'énergie avec un très bon rendement. Ce résultat est impressionnant.
Les moteurs et les macromolécules actives que nous avons présentés travaillent dans des cellules vivantes où ils ne sont pas seuls mais intégrés dans des structures complexes avec un très grand nombre d'autres protéines actives. Le grand nombre de protéines intégrées ensemble induit des comportements et des structures différents de ce qui est observé à l'échelle de la molécule individuelle. Nous allons donner maintenant quelques exemples de structures actives plus complexes et de leur comportement.

Le premier exemple est celui des cils et des flagelles. Les cils sont des structures ressemblant à des cheveux qui entourent par exemple un organisme unicellulaire. Ils sont capables de générer des mouvements, de battre périodiquement, permettant ainsi à des organismes unicellulaires de nager dans une solution. Des structures analogues à ces cils sont également trouvées dans la queue des spermatozoïdes. Ces structures sont très conservées, c'est-à-dire que de nombreux animaux différents ont des cellules très différentes possédant ces mêmes structures. Ces cils présentent des filaments, des microtubules, arrangés de manière très particulière. Neuf microtubules sont organisés pour former un cylindre de diamètre d'environ 300 nanomètres, visible en microscopie électronique. Sur chaque microtubule se trouvent des protéines, des moteurs, attachés à très haute densité. Ils connectent les microtubules voisins, créant des forces internes dans les structures. Ces forces font glisser les microtubules les uns par rapport aux autres ce qui permet des flexions. Les moteurs induisent le glissement et si celui-ci n'est pas possible il y a friction.
Le grand nombre de protéines présentes et couplées aux filaments élastiques, permet des effets collectifs. Par auto-organisation, la structure peut produire des comportements tels que des mouvements oscillatoires, des battements ou la génération d'ondes de flexion.
Le deuxième exemple est celui des cellules capables de détecter des stimuli mécaniques. Certaines cellules de l'oreille interne, la cochlée, sont capables de détecter les sons. Ces cellules spécialisées sont appelées des cellules ciliées car elles possèdent une structure particulière avec une touffe ciliaire. Celle-ci est constituée d'extensions ressemblent à des doigts, formées de filaments d'actine, qui sont connectées par des fibres extrêmement minces. Cette structure est capable de détecter des déformations très faibles de moins d'un nanomètre. Nous savons maintenant que ces structures ne sont pas seulement des détecteurs passifs, mais qu'ils sont aussi capables de créer des mouvements spontanés. Ils contiennent des protéines, des moteurs moléculaires, qui bougent spontanément pour amplifier les stimuli faibles.

Les macromolécules biologiques que nous avons décrites sont extraordinaires car elles correspondent à ce que les chercheurs tentent d'imiter en créant des systèmes artificiels. Les résultats obtenus à l'heure actuelle ne sont pas très avancés mais les premières démarches sont prometteuses. Les recherches que nous allons présenter maintenant ont pour objectif de réaliser des structures artificielles capables de travailler comme des moteurs moléculaires. S'il n'est pas encore possible de fabriquer avec les technologies de micro-structuration des objets artificiels de petite taille qui agissent comme les moteurs, il est possible d'utiliser un moteur biologique pour faire bouger un objet artificiel. Un groupe américain a ainsi créé des petits éléments d'un diamètre de quelques dizaines de nanomètres, en nickel, qui sont attachés à des moteurs actifs dans la synthèse de l'ATP. La molécule de synthase ATP est purifiée puis attachée par des techniques biochimiques spécifiques. Ils ont ensuite fabriqué des petites baguettes de quelques dizaines à centaines de nanomètres, en nickel également, qui sont attachées à la partie mobile. En présence du carburant biologique, l'ATP, le moteur biologique commence à tourner ce qui entraîne le mouvement des petites structures artificielles.


D'autres équipes tentent de réaliser des moteurs artificiels. Ils essaient pour cela d'imiter le modèle du cliquet thermique en réalisant une molécule complexe ayant les mêmes propriétés. La molécule est constituée de deux parties plus une sorte de voile à l'extérieur qui est attachée par une liaison covalente. La voile tourne, la deuxième partie de la molécule revient en avant et bloque un peu la rotation, créant un obstacle. Cette asymétrie permet d'orienter le mouvement dans une direction. Le système ne peut tourner spontanément sans une source d'énergie. L'agitation thermique permet une fluctuation mais insuffisante pour une rotation directionnelle dirigée. L'énergie a été fournie au système de manière similaire aux moteurs biologiques : il s'agit d'utiliser une réaction chimique qui modifie la molécule. À chaque pas chimique, la structure est changée un peu. Le moteur obtenu n'est pas très pratique car il ne tourne pas rapidement. En effet, il faut laver la solution et ajouter des substances à chaque pas chimique. Cet exemple permet cependant de montrer qu'en principe, un système artificiel de ce type est réalisable mais pas encore praticable sous cette forme. Il est extrêmement long et pas du tout efficace.


Les cellules vivantes utilisent depuis très longtemps des structures moléculaires complexes ayant des fonctions diverses. Elles sont capables de fabriquer ces structures d'une manière précise. L'objectif des nanotechnologies est de réaliser technologiquement des structures précises. La cellule va plus loin puisque l'information qui permet de fabriquer ces structures complexes à l'échelle moléculaire est stockée, sous forme d'information génétique, également à l'échelle moléculaire, sur les molécules d'ADN. Il existe dans les cellules vivantes un grand nombre de protéines qui sont responsables de l'édition de cette information : elles la lisent, la copient, la corrigent et enfin fabriquent les protéines.
L'information génétique est définie par la séquence de quatre groupes chimiques ou « lettres » constituant l'ADN. Cette structure a été proposée dans les années 1950 par Watson et Crick. Des machines dans la cellule, les ribosomes, ont pour rôle de lire la séquence du code génétique qui est constituée d'ensemble de trois lettres correspondant aux groupes chimiques constituant les protéines, les acides aminés. Le ribosome lit le triplet, cherche le bon groupement chimique et produit une chaîne d'acides aminés. La chaîne linéaire des acides aminés est appelée la structure primaire de la protéine. Elle correspond à ce qui est écrit dans le code génétique. Les attractions entre les acides aminés créent un repliement de la structure linéaire en hélice, ce qu'on appelle la structure secondaire. Les hélices se replient ensuite pour constituer une structure tridimensionnelle complexe appelée structure tertiaire. Plusieurs molécules très complexes vont ensuite s'auto-assembler et former le produit final, par exemple la synthase ATP.

Cette série de conférences sur les nanotechnologies présente les développements intéressants des microstructurations et des manipulations à petite échelle. Nous commençons à rêver de créer des systèmes un peu comparables à ceux présents dans les cellules vivantes. La complexité des systèmes fait que nous sommes encore très loin de seulement imiter ce que réussissent à faire les systèmes vivants. Les développements en nanotechnologies vont également fournir de nouvelles techniques pour observer et étudier les systèmes biologiques et mieux comprendre comment les cellules arrivent à réaliser ces phénomènes complexes à l'échelle moléculaire.
*Transcription réalisée par Juliette Roussel

 

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  La mélatonine maternelle est un horoscope endocrinien
 


 

 

 

 

 

La mélatonine maternelle est un horoscope endocrinien


19 juillet 2017    RÉSULTATS SCIENTIFIQUES


La mélatonine, une hormone dont la production nocturne varie pendant l’année, synchronise les fonctions biologiques avec les saisons chez l’adulte. L’équipe de Valérie Simonneaux à l’Institut des neurosciences cellulaires et intégratives, montre comment les changements saisonniers de la mélatonine maternelle, connue pour traverser la barrière placentaire, agit sur la production d’hormones thyroïdiennes dans l’hypothalamus des fœtus de rongeurs pour programmer leur développement futur. Cette étude a été publiée le 17 juillet 2017 dans la revue PNAS

La mélatonine est une hormone des saisons car sa production nocturne est d’autant plus importante que les nuits sont longues (en hiver). Son rôle dans la synchronisation saisonnière des fonctions biologiques comme la reproduction, la prise alimentaire ou le sommeil est bien établi chez les adultes. L’équipe de Valérie Simonneaux, en collaboration avec David Hazlerigg à l’Université de Tromso (Norvège), a étudié les mécanismes par lesquels la mélatonine maternelle affecte également le développement fœtal et ceci différemment selon les saisons.

Avant la naissance, les fœtus ne produisent pas de mélatonine mais ont déjà des récepteurs fonctionnels qui peuvent être activés par la mélatonine maternelle capable de traverser la barrière placentaire. La mélatonine maternelle régule différemment le développement métabolique et reproducteur de petits hamsters sibériens selon que la période de gestation et de lactation de leurs mères s’est déroulée en photopériode courte (hivernale) ou en photopériode longue (estivale). Les chercheurs ont montré que la mélatonine maternelle agit sur l’hypophyse du fœtus en développement pour contrôler, via la production de thyréostimuline (TSH), l’expression d’enzymes impliquées dans le métabolisme des hormones thyroïdiennes et localisées dans des cellules gliales spécialisées, les tanycytes de l’hypothalamus. Ainsi à la naissance, les petits issus de mères gestantes en photopériode courte ont une production d’hormones thyroïdiennes hypothalamiques inférieure à celle des petits issus de mères gestantes en photopériode longue.

Cette régulation différentielle par la mélatonine maternelle programme la sensibilité des tanycytes à la TSH après la naissance. En effet, lorsque les hamsters sont ensuite élevés en conditions environnementales similaires, les jeunes issus de mères gestantes en photopériode courte ont une sensibilité des tanycytes à la TSH augmentée qui se traduit par une production accrue d’hormones thyroïdiennes localement dans l’hypothalamus. Cette hyperthyroïdie locale est associée à une accélération du développement des systèmes métabolique et reproducteur des petits nés en photopériode courte.

Les résultats de cette étude décrivent une nouvelle voie transplacentaire codant un calendrier interne qui programme le développement des fonctions cérébrales.
Cette étude a bénéficié d'un co-financement du CNRS et de l'Université de Strasbourg.
 

Figure : La production de mélatonine par la glande pinéale est plus importante en hiver (photopériode courte) qu’en été (photopériode longue). La mélatonine maternelle qui traverse la barrière placentaire aura par conséquent des effets différentiels sur le développement fœtal selon que la gestation ait lieu en hiver ou en été. Ainsi, le développement métabolique et reproducteur de hamsters sibériens issus de mères gestantes en photopériode courte est plus rapide que celui de hamsters issus de mères gestantes en photopériode longue, même si les deux groupes de hamsters sont élevés en conditions environnementales similaires après le sevrage. Cet effet programmateur de la mélatonine maternelle s’exerce via une plus grande sensibilité à la thyréostimuline (TSH) des tanycytes de l’hypothalamus pour activer la déiodinase 2 (DIO2) et donc la production d’hormone thyroïdienne (T3) chez les hamsters nés de mères gestantes en photopériode courte.
 
 
 
 
En savoir plus
*         Maternal photoperiod programs hypothalamic thyroid status via the fetal pituitary gland.
Cristina Sáenz de Miera, Béatrice Bothorel, Catherine Jaeger, Valérie Simonneaux, and David Hazlerigg 
PNAS 2017 ; published ahead of print July 17, 2017, doi:10.1073/pnas.1702943114
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Valérie Simonneaux

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