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Pour conclure

« Au fond la chimie, c’est ce que nous avons de commun avec tous les êtres de l’univers, c’est ce qui nous rassemble : mêmes gènes, mêmes composants chimiques."

Marc Fontecave, Collège de France

Voici donc bouclés les 52 épisodes de mon année de la chimie... qui aura duré prés de 4 ans.

 

Ce feuilleton est centré sur le vivant ; il m'aura permis de papillonner autour d'un thème qui m'est cher, mais qui laisse dans l'ombre de nombreux volets d'une discipline omniprésente dans notre vie quotidienne, comme la chimie des (nano)matériaux, des polymères, la physico-chimie, la chimie théorique...

 

A des titres divers, toutes ces composantes sont partie prenante, avec la physiologie, la biologie structurale, l'informatique (oh! combien), les mathématiques, la physique et leurs déclinaisons  bio (-physique, -chimie, -informatique)..., dans l'étude des mécanismes chimiques de la vie.

Carte d’Ellingham, 1948
Carte d’Ellingham, 1948

En fait, ce petit parcours, sans plan préconçu, rédigé au gré de l'actualité et de mon humeur, n'a qu'un but : éveiller la curiosité, donner l'envie d'approfondir, montrer combien les sciences, comme la philosophie, les arts, la littérature, sont le reflet de l'évolution de la pensée et des comportement des sociétés, à chaque époque.

 

Le parcours chaotique de la chimie, de l'antiquité au XXème siècle, est à cet égard exemplaire. Que de tabous, que de contraintes, que de bons et mauvais procès ont accablé les chimistes !

 

Bien sûr, il n'a pas été facile de faire admettre que matière inerte et animée avaient la même composition, et pour pouvoir parler de chimie du vivant, il a fallu tuer le mythe de la force vitale. C'était au milieu du XIXème siècle. Autant dire, hier !

 

La chimie aura connu plusieurs révolutions coperniciennes :


- Avec Lavoisier, père de la chimie moderne, qui écarte définitivement la théorie des 4 éléments,

 - avec la première synthèse d'une molécule issue du vivant,

- avec l'émergence de la chimie supramoléculaire et bio-inspirée,

- avec aujourd'hui la biologie synthétique et l'exobiologie.

 

Mais la chimie a aussi le privilège de se situer au centre du spectre scientifique, animant ainsi de nombreuses interfaces, avec la médecine, la biologie, la physique, la géologie...

Elle a donc vocation à rassembler des équipes pluridisciplinaires autour de très nombreuses thématiques.

Du passé ne faisons pas table rase !

Dans ce feuilleton, j'ai aussi voulu montrer que les exploits d'aujourd'hui ne devaient pas faire oublier l'obscure besogne des (al)chimistes d'hier.

 

Longtemps moquée et méprisée, la chimie prélavoisienne ne s'est pas uniquement focalisée sur la transmutation, elle a aussi apporté sa pierre - qui ne fut pas que philosophale - à l'élaboration des sciences chimiques.

 

Certes ses pionniers balbutièrent longtemps car ils abordaient des questions bien moins évidentes que les mathématiques, l'astronomie ou la physique, dont les lois accompagnaient les gestes quotidiens.

 

Evoquer l'atome, la molécule, la structure de la matière, se situer au niveau microscopique - à main nue ! - relevait de la gageure.

 

La théorie des 4 éléments, que le grand Aristote eut la mauvaise idée de reprendre à son compte, n'aida pas vraiment les chimistes, d'autant que St Thomas d'Aquin  - et donc l'église - la sacralisa.


Alors, si la première révolution copernicienne de la chimie est l'oeuvre de Lavoisier, c'est bien au siècle des Lumières et autour de la réflexion du génial physicien que fut Newton, que naît la chimie moderne.

 

Le très pieux savant anglais, fort de ses découvertes à propos de la gravitation universelle, cherchait une explication globale au fonctionnement d'un univers, forcément parfait puisque oeuvre divine.

 

Il pensa l'avoir trouvé dans le phénomène de l'attraction qu'il invoqua pour expliquer la liaison chimique. La science cartésienne rejeta avec vigueur ces forces qualifiées "d'occultes", suggérées par un savant qui avait  la mauvaise idée de passer beaucoup de temps auprès de son four d'alchimiste.

 

Timidement cependant l'idée fera son chemin, les chimistes français parleront prudemment d'affinité. Le premier grand débat autour de la chimie était lancé et c'est dans la grande Encyclopédie que la chimie va se revendiquer science avec un grand S, à l'égal de la physique.


 

Le siècle des Lumières fut celui des salons mais aussi des cabinets de curiosité.

 

Le Cabinet du roi est créé en 1729, au Jardin du Roy.

Quelques années plus tard D’Alembert faisait le beau en parlant de physique dans celui de Julie Lespinasse.

 

 Voltaire aiguillonné par sa brillante maîtresse, Mme du Châtelet, créait son cabinet de physique à Cirey et proclamait, au grand dam de l'Académie :

 


« Il a fallu, pour établir en France toutes les sublimes vérités que nous devons à Newton, laisser passer la génération de ceux qui [ont] vieilli dans les erreurs de Descartes… ».

 

Denis Diderot, en tenant et illustrateur de la  philosophie expérimentale de Bacon, se fit chimiste, science qu'il étudia avec le très stahlien Rouelle, dont il fit connaître le cours.

 

Dans l'Encyclopédie, en donnant la plume au médecin et chimiste montpelliérain Gabriel-François Venel, puis beaucoup plus tard dans le "Plan d'une Université" qu'il proposa à Catherine II, il propulsa la chimie aux premiers rangs des disciplines scientifiques.

 

L'article «  Chimie » de Venel dans l'Encyclopédie est fondateur. L'entrée en force de la chimie dans le grand bal des sciences, va naître de sa révolte contre la position subalterne de sa discipline vis à vis de la physique. Science à part entière, elle se débarrasse des oripeaux sulfureux des hermétiques et charlatans et vient se placer au coeur du débat sur le vivant.

 

Denis Diderot, dans le Rêve de D'Alembert, illustrera ce nouveau rôle.

 

Certes, la chimie de l'Encyclopédie n'était pas révolutionnaire, mais elle compilait l'essentiel des connaissances de son temps. Dans ses attaques violentes contre la physique et les idées de Newton, Venel poussait un peu loin le bouchon ; peu importe, son cri préparait l'avènement de Lavoisier... qui comme lui, et comme Diderot, était un auditeur assidu du pittoresque Rouelle au Jardin du Roy...

 

 

Enfin Lavoisier vint...

C'est Lavoisier qui portera le coup de grâce au modèle des quatre éléments, ainsi qu’à la théorie du phlogistique, en réalisant la décomposition et la synthèse de l’eau.

 

Le 27 février 1785, le Fermier Général, devant un aréopage choisi (académiciens français et étrangers, grands scientifiques, intellectuels...) va prouver la validité de sa théorie de l’oxydation.

 

Pour cela il va d’abord décomposer l'eau.

 

Versée goutte à goutte dans le canon de fer d’un fusil, placé en pente douce sur un lit de charbons ardents, elle produit un gaz qui est recueilli dans une cuve à eau. Il montre que ce gaz "13 fois plus léger que l’air atmosphérique" est le gaz généralement appelé "air inflammable".  Lavoisier pèse et mesure le canon de fer : il s’est alourdi !

 

" Le résultat de cette expérience présente une véritable oxydation du fer par l’eau : oxydation toute semblable à celle qui s’opère dans l’air sous l’action de la chaleur. Cent grains d’eau ont été décomposés ; 85 grains d’oxygène se sont unis au fer pour le constituer dans l’état d’oxyde noir, et il s’est dégagé 15 grains d’un gaz inflammable particulier : donc l’eau est composée d’oxygène et de la base d’un gaz inflammable".

 

Ce gaz, Lavoisier le nomme hydrogène :

 

"Aucun nom ne nous a paru plus convenable que celui d’hydrogène, c’est à dire principe générateur de l’eau."

 

Le savant réalise ensuite une synthèse de l'eau :  deux courants, l’un de dioxygène (l’air vital) l’autre de dihydrogène (l’air inflammable), sont envoyés dans un ballon où il provoque une étincelle. De l’eau apparaît qui se condense sur les parois du ballon. La masse de l’oxygène et celle de l’hydrogène correspondent à la masse d’eau obtenue.

 

L’eau est donc bien un corps composé.

 

Lavoisier avait montré que la matière se transformait par des réactions chimiques au cours desquelles il y avait conservation des masses. Il venait de vérifier - quelques 2200 ans plus tard - la célèbre maxime d'Anaxagore :

 

" Rien ne naît ni ne périt, mais des choses déjà existantes se combinent, puis se séparent de nouveau."

 

La chimie moderne venait de naître

 

 

La chimie du "lego"

Vitamine B12. Sa synthèse totale est réalisée par Robert Burns Woodward, Albert Eschenmoser et leur équipe en 1972
Vitamine B12. Sa synthèse totale est réalisée par Robert Burns Woodward, Albert Eschenmoser et leur équipe en 1972

Depuis le milieu du XXème siècle, la chimie organique n'a cessé de déployer des trésors d'ingéniosité, consacrés initialement à la synthèse de molécules de plus en plus complexes, comportant en particulier de multiples centres d'asymétrie.

 

Ce n'est pas en effet le petit nombre d'atomes concernés (C, H, N, O, P et quelques autres), ni la complexité des enchaînements de liaisons moléculaires qui font la spécificité et la complexité des biomolécules, mais leur stéréochimie.

 

L'asymétrie initiale du vivant se situe au niveau des briques élémentaires des acides nucléiques. Les édifices macromoléculaires des protéines, où entrent en jeu  la constitution de liaisons faibles (non covalentes), essentielles pour la construction et le fonctionnement des êtres vivants, posent de difficiles problèmes de symétrie.

 

C'est en regardant fonctionner le vivant que le chimiste a eu l'idée de s'intéresser à ces liaisons faibles et aux processus réversibles qu'elles permettaient.  Ainsi est née la chimie supramoléculaire, au début des années 80.

 

Dès lors, la vieille chimie organique, celle qui pendant 20 ans accompagna mes études, laissa pleinement la place à une chimie de la vie.

 

Les exploits  se succédèrent, d'autant que grâce à l'apport décisif de l'informatique, les outils spectroscopiques mis à la disposition du chimiste changeaient de dimensions.

Chimie supramoléculaire et biologie de synthèse

 

 « Là où la nature finit de produire ses propres espèces, l’homme commence, utilisant les objets naturels [les éléments chimiques], en harmonie avec les lois de la nature, à créer [synthétiser] une infinité d’espèces »…non vivantes pour l’instant, et un jour vivantes ! »  Léonard de Vinci

La chimie  pouvait ainsi aborder sa troisième révolution, après Lavoisier, après la première synthèse d'une molécule organique -l'urée - par Friedrich Wöhler. 

Dans sa leçon inaugurale au Collège de France en 1980, Jean-Marie Lehn définit un nouveau concept, une nouvelle approche de la chimie :


Au-delà de la chimie moléculaire fondée sur la liaison covalente [liaisons "fortes" entre atomes], s'étend aussi un domaine que l'on peut appeler supramoléculaire : la chimie des interactions moléculaires [liaisons "faibles"], des associations de deux ou plusieurs espèces chimiques... "

Chimie supramoléculaire, autoorganisation
Chimie supramoléculaire, autoorganisation

Mais que sont ces interactions moléculaires sinon le fondement même de ces processus hautement spécifiques, de reconnaissance, de transport, de régulation, de réaction... qui se produisent en biologie... !

 

Dès lors, cette nouvelle version de la chimie de coordination va connaître un développement foudroyant.

 

Les termes de reconnaissance moléculaire, d'auto-organisation, d'auto-assemblage, de site d'interaction (de reconnaissance),... de clé et de serrure... vont venir irriguer la littérature chimique.

 

Le potentiel  de la chimie vu sous cet angle est immense, car si la biologie constitue l'univers moléculaire le plus complexe que nous connaissions... il est très limité du point de vue de sa diversité : les biomolécules qui le constituent appartiennent à un tout petit nombre de fonctions chimiques : acides nucléiques (obtenus à partir de quelques hétérocycles), protéines (dérivés de 20 aminoacides),  sucres,  lipides.

 

La chimie, elle, a déjà produit des millions de molécules ! En devenant bio-inspirée on peut penser qu'elle réussira à atteindre des niveaux de sophistication de plus en plus élevés,  élaborant ainsi une grande diversité de systèmes (macro) moléculaires complexes.

 


Mais jusqu’où allons-nous reproduire les mécanismes de la vie ? Jusqu’à créer une forme de vie synthétique ?

  

 Pour certains éminents chercheurs, venus d’horizons divers (chimie et biologie moléculaire, microbiologie, biochimie…), le jusqu'où est déjà dépassé ; la vraie question est :  

 

" Comment ! " 

 

Comment passe-t-on de la matière d’abord divisée, puis organisée, à la matière vivante, puis pensante ?

 Jean-Marie Lehn 

 

Ces pionniers se retrouvent autour d’un concept, celui de « biologie synthétique », contranyme qui désigne un nouveau champ scientifique pluridisciplinaire, qui, au-delà des sciences dures, va interpeller philosophes, médecins, spécialistes de la bio éthique…

 

Le coup d'envoi a été donné par le groupe de Steven Benner qui, en 1984, est le premier à rapporter la synthèse chimique d'un gène codant une enzyme. En 1989, il introduit le premier alphabet d'ADN élargi puis développe des systèmes d'information génétique artificiellement élargis (AEGIS).

 

On peut dire qu'avec Benner émerge cette « biologie synthétique », "qui vise à générer, par synthèse chimique, des molécules qui reproduisent le comportement complexe des systèmes vivants, y compris leur génétique, et leur évolution."

 

Dernier événement  en date, la publication en 2014 dans Nature des travaux du groupe de Floyd Romesberg, annonçant l'obtention d'un premier organisme issu d'un alphabet génétique modifié : une bactérie, ayant intégré dans son génome un code génétique à 6 lettres (comportant deux bases nucléiques non naturelles), capable de se propager de façon stable, c'est à dire de produire de nouvelles bactéries ayant intégré ce nouveau code génétique.

 

 Avec cet exploit, on peut dire qu'aujourd'hui, c'est déjà demain !

Se faisant bio-inspirée la chimie est plus verte...

Catalyseur bio-inspiré : hydrogénase NiFe, (V. Artero)
Catalyseur bio-inspiré : hydrogénase NiFe, (V. Artero)

La bio-inspiration anime aujourd'hui de nombreuses thématiques et groupes de recherche, en particulier dans le domaine de l'énergie.

 

Les organismes vivants ont su convertir les diverses formes d’énergies présentes dans leur environnement : les plantes, algues ou bactéries photosynthétiques sont capables de transformer le rayonnement en énergie chimique grâce à la photosynthèse. 

 

A contrario, certaines bactéries fonctionnent comme une pile à combustible en couplant respiration et métabolisme de l’hydrogène. 


Le fonctionnement des enzymes est aussi une source d’inspiration pour élaborer des catalyseurs " bio-inspirés", reproduisant l’activité du site actif de l’enzyme tout en réduisant la sensibilité aux conditions réactionnelles. 

 

Avec la bio-inspiration, l'homme ne pille plus la nature, mais s'en inspire.

 Chimie : bonnes et mauvaises pratiques


 

XXXVII - Du mauvais usage de la chimie

XXXVIII- La chimie passe au vert


Chimie du vivant /médecine : symbiose

 

Depuis Néandertal, chimie et médecine sont étroitement associées. Des principes actifs des plantes aux images numériques 3D des biomolécules et des tissus, les deux disciplines ont cheminé de concert. Certes aujourd'hui leur compagnonnage s'est étendu : aux biologistes, physiologistes... sont venus s'adjoindre physiciens, mathématiciens et surtout informaticiens. 


J'ai évoqué dans ce feuilleton, l'approche omique (génome, protéome, métabolome) rendue possible par les progrès de la spectroscopie de masse, de la RMN et de l'informatique, instruments essentiels du chimiste du vivant, qui, dans le domaine médical conduit à la définition du "patient numérique".


Simulation de l'activité électrique dans les 2 ventricules cardiaques. Elle permet de voir, sur les zones sombres, les tissus nécrosés dus à un infarctus du myocarde et qui conduisent moins bien les ondes électriques.(© Inria/Asclepios)
Simulation de l'activité électrique dans les 2 ventricules cardiaques. Elle permet de voir, sur les zones sombres, les tissus nécrosés dus à un infarctus du myocarde et qui conduisent moins bien les ondes électriques.(© Inria/Asclepios)

En médecine, comme en chimie du vivant, les progrès du traitement informatique des données résultant de l'imagerie RX, RMN, ultrasonique..., la maîtrise des principes algorithmiques, mathématiques et biophysiques, permettent d’augmenter le contenu des images.

 

Il est alors possible de construire un modèle numérique et personnalisé du patient, de simuler de façon plus réaliste, sur des organes virtuels, l'évolution d'une pathologie ou les effets d'une thérapie.

 

Ce patient numérique assistera le médecin dans sa pratique médicale :

 

" ... assister le diagnostic en quantifiant l’information présente dans les images ; assister le pronostic en simulant l’évolution d’une pathologie ; assister la thérapie en planifiant, simulant et contrôlant une intervention."  Nicholas Ayache

 

 

La médecine du XXIème siècle va donc à son tour changer de dimensions.

 

On ne conçoit plus de nos jours de laboratoires performants de chimie du vivant sans biologistes, sans spécialistes de la modélisation, sans instrumentalistes de haut niveau, solidement formés en physique et en informatique.

 

Dans le domaine médical, il faudra désormais des radiologistes férus d'informatique, compétents en électromagnétisme et sachant manipuler les transformées de Fourier, des chirurgiens opérant avec des robots tout en manipulant des images numériques !

 

Il serait donc temps que tout notre système éducatif, du CP à l'université, prenne en compte cette nécessité du dialogue permanent entre les disciplines et revoit complètement l'organisation de nos enseignements.

Quelles applications pour demain ?

Approche omique
Approche omique

A partir de l'analyse des recherches scientifiques actuelles, ScienceWatch dresse un tableau des évolutions à attendre dans les 10 ans à venir.

 

Pour ce qui concerne les domaines impliquant la chimie du vivant, on peut attendre :

 

- dans le traitement des cancers les nouvelles molécules, souvent produites par les biotechnologies, permettront le ciblage de protéines spécifiques, ce qui réduira considérablement les effets délétères de traitements qui deviendront beaucoup plus efficaces.

 

La connaissance de mutations génétiques spécifiques permettront de traiter avec succès de nouvelles formes de cancer (mélanome, sein, poumons).

 

Bref, des chimiothérapies bien mieux ciblées, avec des effets toxiques considérablement réduits.

 

Dès 2025, l'ADN de tout un chacun sera mappé à la naissance et vérifié annuellement afin d'identifier les modifications qui pourraient indiquer l'apparition de maladies auto-immunes.


L' ingénierie du génome humain ouvrira la voie à la modification des gènes pathogènes. 

 

Grâce à la connaissance de plus en plus fine de l'expression des gènes la prévention des maladies sera fondamentalement modifié.

 

 Le rôle des biomolécules, ARN, ADN et protéines, briques élémentaires du vivant, sera compris beaucoup plus finement au cours de la prochaine décennie.

 

P.S. : Les forces en présence

A l'orée de l'année de la chimie (2011), ScienceWatch avait analysé la production quantitative et qualitative en chimie ces 20 dernières années (Chemistry, at the highest level)

 

Trois graphes résument ce bilan :

 

 

- sur le nombre total d'articles, l'Union Européenne (15 pays) a cédé la première place à la zone Asie-Pacifique au début des années 2000 ; les USA sont en troisième position. 

 

Au niveau des institutions, l'Académie chinoise arrive largement en tête, le CNRS occupe une honorable 7ème place (derrière le MIT devant l'Académie russe).

 

- si l'on prend en compte l'impact des publications (à partir du nombre de citations) par pays, les USA maintiennent leur avance, la Grande-Bretagne et l'Allemagne progressent, le Japon stagne, la Chine et l'Inde grimpent très fort. (Graphe 3).

 

Au niveau des institutions, il faut noter que le Scripps Research Institute de La Jolla-San Diego (Californie), fortement orienté vers la biomédecine, arrive en tête devant Harvard, Rice et Caltech (California Institute of Technology), grâce au fort impact de ses publications.


Scripps doit cette première place à sa collection de stars et en particulier au prix Nobel 2001, K.Barry Sharpless. Sa publication à propos de la click chemistry approche les 2500 citations !

 

H. C. Kolb, M. G. Finn and K. B. Sharpless, Click Chemistry: Diverse Chemical Function From a Few Good Reactions, Angew. Chem., 40, 2004 (2001).


On doit à ce même institut la publication de l'année 2014 concernant l'extension de l'alphabet génétique (groupe de Floyd Romesberg). 


 

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