Chimie, vivant, l'actualité

Edition des gènes

Une équipe chinoise franchit le Rubicon

Lors du deuxième Sommet international sur la modification du génome humain, qui réunissait à Hong Kong, cette semaine, les scientifiques concernés, les débats ont été surtout alimentés par l'annonce de l'équipe de He Jiankui (chercheur en édition du génome à l'Université chinoise des sciences et technologies de Shenzhen) selon laquelle il aurait imprégné une femme d'embryons modifiés pour les rendre résistants à l'infection à VIH. 

 

Dans une vidéo diffusée sur YouTube, ce chercheur, indique que cette femme aurait donné naissance à des jumelles en bonne santé, 

Notons que ce résultat n'a pas encore donné lieu à publication dans une revue à comité de lecture.

 

 

Cette annonce a aussitôt provoqué une tempête dans la communauté scientifique.

 

L'indignation des chercheurs concernés est générale (y compris dans l'université concernée). 

Ils mettent en doute le bien-fondé d’une procédure préliminaire potentiellement dangereuse, sans consensus scientifique international.

 

Aujourd'hui, certains pensent également que cette annonce pourrait avoir un effet dissuasif sur l'édition de gènes.

 

En 2015 déjà, des chercheurs chinois avaient annoncé dans la revue Nature, avoir modifié génétiquement des embryons humains.

CRISPR-Cas9 : le problème éthique

CRISPR : maintenant on découpe aussi l'ARN

 

Deux méthodes ont été développées à cet effet par deux pionniers de CRISPR-Cas9 :

 

- Jennifer Doudna, à Berkeley

 

Feng Zhang,  (Broad Institute of MIT and Harvard)

 

L'une sur les cellules de mammifères, l'autre sur des bactéries.

 

Vu le nombre considérable de publications mensuelles sur le sujet, il ne s'agit que d'un modeste début !

CRISPR everywhere

"Pour le meilleur ou pour le pire, CRISPR-cas9 transforme la biologie. Nous sommes maintenant à l'aube de l'âge de l'édition de gènes."

 

"Researchers the world over have rushed to use the tool to tinker with the genomes of human somatic cells, viruses, bacteria, animals and plants, and it's in these contexts that the technique promises to have more immediate impact."

 

Le point dans Nature sur cette fantastique technique qui révolutionne la biologie.

 

VOIR aussi sur le blog.

Vie synthétique vs édition de gènes

Deux approches complémentaires

La fulgurante ascension de la technique d'édition de gènes CRISPR-Cas9, dont je parle abondamment par ailleurs, relègue-t'elle au second plan les recherches des groupes de San Diego (voir sur le site les travaux de Floyd Romesberg et Craig Venter) qui visent à créer ex nihilo des organismes synthétiques, ou semi-synthétiques, destinés à produire médicaments, carburants et bien d'autres molécules ?

 

En d'autres termes à quoi bon faire compliqué en fabriquant une nouvelle forme de vie, quand il devient si facile de modifier l'existant ?

 

Craig Venter continue néanmoins sa route à marche forcée ; son équipe vient de décrire la synthèse d'une bactérie possédant le plus petit génome existantJCVI-syn3.0 - (531 paires de bases pour 473 gènes). Son temps de doublement - 180 minutes - est tout à fait respectable.

Ce génome est plus petit que celui de  la cellule minimale se répliquant de façon autonome dans la nature. 

 

Cependant sur la voie de la minimisation du génome, beaucoup de chemin reste à parcourir pour trouver le bon compromis entre la taille du génome et le taux de croissance. 

Jusqu'ici le groupe de Venter a plutôt fonctionné par tâtonnement, sur le mode essais/erreurs et de nombreux points d'interrogations subsistent. Il a ainsi observé que 149 gènes (près du tiers) de ce génome avaient des fonctions biologiques inconnus, mais étaient indispensables. Pourquoi ?

 

En fait, ces deux approches du travail sur le vivant se situent sur deux plans différents.

Avec CRISPR, c'est un bricolage -génial- permettant la réparation de l'existant qui se développe et va donner des résultats spectaculaires très rapidement.

 

Les travaux sur la vie synthétique sont plus ambitieux, puisqu'ils visent avant tout à élucider le mécanisme de la vie et sa reproduction a minima. Ils se situent bien en amont et leurs applications ne se dessineront qu'à moyen terme.

 

Craig Venter, comme tous les pionniers de la biologie synthétique aime à rappeler cette phrase de Richard Feynman :

« Ce que je ne peux pas créer, je ne le comprends pas "

 

 

Origine de la vie

Première identification dans l'espace de deux molécules "miroirs" (énantiomères)

Découverte très excitante à... 28 000 années lumière de la terre : de l'oxyde de propylène sous ses deux formes énantiomères (deux molécules identiques non superposables, comme votre main droite et votre main gauche).

 

J'ai longuement expliqué sur ce site pourquoi la stéréochimie des molécules était la clé de la chimie du vivant.  C'est aussi une des énigmes à résoudre pour comprendre l'origine de la vie sur cette planète.

 

Si peu à peu ce mystère s'éclaircit, le chemin est encore long pour retracer précisément l'épopée qui conduisit à LUCA (Last Universal Common Ancestor).

 

Voir : Des biopolymères aux premiers organismes vivants

 

Avant et après LUCA

Nicolas Glansdorff ,Ying Xu et Bernard Labedan
Nicolas Glansdorff ,Ying Xu et Bernard Labedan

Imagerie cérébrale : effet du LSD sur le cortex

Les effets neuronaux induits par la prise de psychotropes font l'objet de nombreuses études.

 

Dans ce cadre des chercheurs se sont à nouveau penchés sur les effets d'un hallucinogène qui avait fait fureur sur les campus américains dans les années 60-70 : le LSD (acide lysergique, diéthylamide).

 

Les progrès de l'imagerie médicale ont permis de visualiser l'impact de cette molécule sur les connectivités dans le cortex.

  

Les scans ci-dessus (à gauche sous placebo, à droite sous LSD) et d'autres résultats, ont révélé de profondes modifications dans la circulation sanguine du cerveau, son activité électrique et ses modes de connection, fortement corrélées avec les altérations hallucinatoires de la conscience.

 

Ces travaux peuvent aider à comprendre les mécanismes de dépendance et à mieux appréhender certaines pathologies comme la dépression.

 

Magnétoencéphalographie (MEG)
Magnétoencéphalographie (MEG)

Pour ce travail, les méthodes les plus sophistiquées en neuroimagerie ont été utilisées :

 

L'IRM fonctionnelle d’activation (IRMf), avec la séquence BOLD et deux méthodes innovantes : l’IRM par marquage des spins artériels (arterial spin labeling [ASL]) et l’IRM de diffusion.

 

L’ASL est une séquence de perfusion qui utilise les protons artériels marqués magnétiquement comme traceur endogène. Malgré des difficultés méthodologiques, elle permet une quantification absolue du débit sanguin cérébral.

 

Enfin la magnétoencéphalographie (MEG), méthode extrêmement sensible qui mesure les très faibles champs magnétiques produits par l'activité électromagnétique des neurones.

 

 

DNA : Not Only the Secret of Life

ADN : Pas seulement le secret de la vie

L'ADN n'est plus seulement le support de notre information génétique ; c'est devenu également un matériau exceptionnel de construction à l' échelle nanométrique.

 

J'ai évoqué ICI ce jeu de construction qui consiste à fabriquer de véritables origamis d'ADN à partir d'un long brin d'ADN de séquence connue et d'une série de brins courts synthétiques, appelés "agrafes".

 

En s'hybridant spécifiquement au niveau de certaines zones, les agrafes pincent le long brin, le plient et le maintiennent en place. Le choix des "agrafes", à l'aide de modélisations informatiques, permet d'obtenir des motifs complexes

 

C'est le groupe du cristallographe américain Ned Seeman qui a proposé ce concept il y a trente ans.  Il exploitait ainsi la capacité des molécules d'ADN à transporter et transférer des informations, pour assembler de façon rationnelle des structures aux caractéristiques nanométriques précisément contrôlées.

 

 

© 2006 Nature Publishing Group  Folding DNA to create nanoscale shapesand patterns (PWK Rothemund)
© 2006 Nature Publishing Group Folding DNA to create nanoscale shapesand patterns (PWK Rothemund)

La technique eut un certain succès jusqu'à ce que, il y a 10 ans, la revue Nature publie la mise au point de Paul WK Rothemund (Caltech) qui révèla l'étendue du potentiel de ce concept.

 

Cette publication  a mis un terme à la récréation et depuis lors cette nanotechnologie de l'ADN, s'est puissamment développée.

La liste des applications possibles s'allonge rapidement : structure de protéines, templates pour l'assemblage de composants électroniques, structures d'ADN ciblant des cellules malades, support pour la conception et l'intégration de nanosystèmes (nanotubes)....

 

Et ce n'est qu'un début !

 

 

Images stéréoscopiques aux environs d'un triangle (a) et le rhomboèdre flanqué de huit des triangles (b)
Images stéréoscopiques aux environs d'un triangle (a) et le rhomboèdre flanqué de huit des triangles (b)

Synthèse rationnelle d'un matériau "périodique" pour l'assemblage d'un ordinateur biopuce

 

VOIR :

ADN-based computing

Construction de réseaux périodiques en 3 dimensions (cristaux).
Construction de réseaux périodiques en 3 dimensions (cristaux).

Origamis d'ADN et nanotubes

Ned Seeman :  ADN Nanotechnology - Cages tridimensionnelles, nanotubes d'ADN

La construction d'architectures à base d' ADN pour des applications en biologie et en science des matériaux fait l'objet de recherches intensives.

 

C'est notamment le cas du groupe de Hanadi Sleiman (Université Mc Gill, Montréal) qui développe des applications en nanostructuration pour la délivrance de médicaments sélectifs ciblant les cellules cancéreuses.

 

Tout récemment ces chercheurs ont conçu le premier cube d'ADN  capable de reconnaître un gène spécifique d'un cancer. Cette molécule, après encapsulation d'une substance active, est capable de libérer sa "cargaison" sélectivement, uniquement si le marqueur cellulaire de ce cancer est présent (exemples ci-dessous).

 

L'ouverture sélective est vérifiée in vitro en utilisant un marqueur d'ARN synthétique unique pour la lignée cellulaire du cancer de la prostate humaine LNCaP.,  des cellules HeLa (cancer du col de l' utérus humain) et des lymphocytes B primaires isolées à partir du sang de la leucémie lymphocytaire chronique (CLL).

Guayule, plante à caoutchouc...

... des olmèques au XXIème siècle

 Baptisés « Peuple du caoutchouc » par les Aztèques (en náhuatl ), les Olmèques sont apparus au cours du second millénaire avant notre ère, pour disparaître 1 500 ans avant l’essor de l’empire Aztèque.

 

On connait mal l'origine du peuple olmèque, mais sur sa terre se succédèrent Mayas puis Aztèques, peuples précolombiens de la Mésoamérique.

 

Plus particulièrement, c'est du côté du Yucatán (sud-est du Mexique actuel) que l'on produisait de grandes quantités de caoutchouc (le sang du monde ).

 

 

 

Anneau du pok-a-tok
Anneau du pok-a-tok

Avec ce caoutchouc, les précolombiens fabriquèrent divers objets, en particulier les balles d'un jeu -  « pok'ol pok » en maya yucatèque -, activité sportive au caractère sacré qui symbolisait l’histoire de la création et se concluait par des sacrifices humains.

 

Au Mexique, le site archéologique de Chichén Itzá abrite les vestiges du plus grand terrain de pok-a-tok

  

La première balle de caoutchouc a été ramenée en Europe par Christophe Colomb.

Quelques années plus tard, le conquistador Hernán Cortés, impressionné par le jeu de balle aztèque, amena en Espagne des joueurs qui firent une démonstration publique, laissant sans voix les spectateurs présents, stupéfaits par les rebonds de la balle.

 

Il est communément admis que l'américain Charles Goodyear (1800-1860) est l'inventeur de la vulcanisation (qui permet de stabiliser le caoutchouc afin qu'il résiste mieux aux écarts de température). Néanmoins, les archéologues ont exhumé des balles en caoutchouc, dont certaines datent de 1600 avant l'ère chrétienne, soit 3000 ans avant l'invention de Goodyear. Ces ballons, de tailles variables, ont durci avec le temps mais leur qualité est indiscutable. Michael Tarkanian pense, qu'avant l'arrivée des espagnols, le Mexique et une partie de l'Amérique Centrale avaient développé une véritable industrie du caoutchouc. Selon lui, la région ne produisait pas moins de 16000 balles chaque année, ainsi qu'un grand nombre de sandales, de bandes adhésives et divers articles. Ces objets sont décrits dans les journaux des explorateurs et des missionnaires européens. (Latin American Antiquity)

 

 

Guayule ( Parthenium argenatum A. Gray)
Guayule ( Parthenium argenatum A. Gray)

La source principale du caoutchouc précolombien était un arbre : Castilla elastica mais le guayule (mot d’origine nahuatl, transcrit phonétiquement par les Espagnols) était aussi sans doute utilisé.

 

Le guayule (Parthenium argentatum) est un arbuste qui pousse spontanément dans le désert de Chihuahan, dans le nord du Mexique, et dans le sud du Texas, aux Etats-Unis.

C’est une plante sensible au froid (elle ne tolère pas de températures inférieures à − 10 °C) et à l’humidité (les précipitations annuelles ne doivent pas dépasser 800 mm) car elle ne supporte pas l’asphyxie racinaire.

 

Le guayule est une matière première éminemment verte : sa culture est renouvelable, non-alimentaire, ne requiert que très peu d’eau et aucun pesticide.

 

Lire : Le guayule, parangon du développement durable (D. Michelin, 2013)

 

Elle est donc adaptée au climat méditerranéen et le CIRAD à Montpellier s'intéresse à cette plante depuis fort longtemps.

 

Il m'avait confié, il y a une trentaine d'années, quelques plants avec lesquels nous avions mené sur les Domaines Royaux du Maroc, près de Marrakech, une étude sur la production de latex et de résine dans des conditions de stress hydrique et de stimulation chimique. Une thèse avait été soutenue (et publiée) à l'Université de Marrakech.

 

Champs de guayule en Arizona
Champs de guayule en Arizona

Bien auparavant,  au début des années 1920, d’illustres Américains comme Thomas Edison, Henry Ford ou encore Harvey Firestone inquiets pour l'approvisionnement en caoutchouc d'hévéa du Sud-Est asiatique, s'étaient penchés sur des sources alternatives de latex ; en tête de liste le guayule.

 

A cette époque la seule source de caoutchouc était en effet l’hévéa (Hevea brasiliensis ). Actuellement, environ 60 % de la production mondiale est dérivée du pétrole.

 

Pourquoi donc ce retour du guayule sur le devant de la scène, en Europe et aux USA ?

 

Deux raisons sont invoquées : 

 

- d’ici à 20 ans, les plantations d’hévéas ne suffiront plus à répondre à la demande croissante en caoutchouc naturel, qui reste un matériau irremplaçable pour la fabrication de pneumatiques et de gants médicaux. Le caoutchouc de guayule pourrait alors venir compléter cette production et devenir compétitif sur certains segments de marché.

 

- le guayule produit un latex comparable à celui de l’hévéa, mais hypoallergénique, contrairement à ce dernier. En effet le latex obtenu à partir d'arbres à caoutchouc contient environ 2% de protéines, dont certaines provoquent des allergies sévères. Le latex de guayule ne contient pas ces protéines et pourrait être utilisé pour la fabrication de gants, préservatifs...

 

La société Yulex (Arizona) fondée en 2000 , met en avant son latex vert de guayule. En 2008 la FDA a validé l'utilisation de ses gants et cathéters en latex de guayule. La société possède de vastes plantations de guayule en Arizona

Sur YULEX

 

Signalons d'autre part qu'en octobre 2015 la Bridgestone Corporation annonçait la première fabrication d'un pneu élaboré exclusivement à partir d'un latex de guayule.

 

 

De son côté, l’Union européenne avait lancé en 2008 le projet EU-Pearls (Europe-based production and exploitation of alternative rubber and latex sources). 

 

Ce projet, dont le Cirad était l’un des principaux partenaires, visait à mettre en place une filière européenne de production de caoutchouc naturel à partir, entre autres, de la culture du guayule.

En 2012,  le fabricant indo-néerlandais Apollo Vredestein annonçait la production des premiers pneus fabriqués à partir de caoutchouc naturel originaire d’Europe.

 

Tout récemment, la société Pirelli a présenté à son tour un pneu en caoutchouc de guayule.

 

Aujourd'hui le CIRAD, membre de l'Elastopole (Pôle de compétitivité caoutchouc et polymères ) développe intensivement ses recherches sur le guayule dans le cadre de projets européens. Il justifie ainsi ces travaux :

 

 Il faut environ 100 plants de guayule pour faire un pneu de voiture et seulement deux plants pour faire un gant en latex. Planter à grande échelle le guayule pourrait bientôt remplacer les milliers d’hectares de vigne arrachée dans le Languedoc, car pour réduire de 10% les importations d’hévéas asiatiques, un projet européen va planter 250 000 hectares de guayule dans les 30 ans à venir autour de la Méditerranée."

 

 

Le caoutchouc c'est quoi ?

Chimiquement le caoutchouc naturel est un polyterpène : le  cis -1,4-polyisoprène.

 

Le guayule contient de 5 à 10% de cis -1,4-polyisoprène en poids... mais il n'est pas simple de récupérer ce caoutchouc qui est piégé dans les cellules (parenchyme cortical) des tiges et des racines de la plante (chez l’hévéa, le latex circule dans des tubes laticifères qui communiquent entre eux et autorisent une récolte par simple saignée de l’écorce).

 

 

La récolte est facile :  Il suffit de couper, tous les deux ans, les plants au ras du sol à l’aide d’une récolteuse, et de les laisser repartir pour un nouveau cycle de production.

La plante récoltée doit être séchée puis broyée. Diverses techniques d'extraction sont ensuite utilisées pour séparer le caoutchouc, des résines et de la bagasse (les fibres cellulosiques) qui doivent être valorisées pour que le processus soit rentable.

 

Pour cela, le CIRAD développe le  concept de « bioraffinerie » qui " vise une valorisation optimale de la biomasse, qui passe par l’exploitation de la totalité de ses composants : biocarburant, produits chimiques, biomatériaux…"

 

 

 

 

Mendeleïev : 4 nouveaux transuraniens

 

 Les éléments de numéro atomique 113, 115, 117 et 118 viennent compléter - et achever - la 7ème période du célèbre tableau.

 

Ces élément artificiels à durée de vie très brève ont été obtenus au sein d'accélérateurs de particules.

 

C'est l'International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) qui a validé ces découvertes le 30 décembre 2015.

 

Chemistry : Why synthesize ?

Chimie : Pourquoi synthétiser

La revue en ligne Nature pose la question.

 

Pourquoi donc les chimistes continuent-ils à synthétiser des molécules de plus en plus complexes ? 

Elle donne une réponse évidente : si la synthèse chimique est toujours aussi vivante, c'est que nous avons toujours besoin de nouveaux médicaments, de nouveaux matériaux, de nouvelles technologies impliquant cette chimie. Et cela se poursuivra tout au long du vingt et unième siècle. 

 

A titre d'exemple, le journal cite trois résultats de 2015 :

 

- une nouvelle et élégante voie d'accès au médicament anticancéreux paclitaxel (Taxol),

- la synthèse totale de l'acide  (-) - nodulisporique D qui pourraient agir comme un puissant insecticide,

- celle d'un alcaloïde anti-VIH.

 

Cette dernière synthèse en 9 étapes (voir ci-dessous), réalisée à partir d'un hétérocycle basique, le pyrrole, montre la difficulté de cette démarche qui implique, comme ici, le toujours délicat contrôle de la stéréochimie.

 

Synthèse automatisée !
Synthèse automatisée !

Pour beaucoup de chimistes, ce type de synthèse totale, fastidieuse, peu rentable (en terme de rendement chimique, mais aussi de retombées économiques) doit laisser place à tout ce qui est synthèse automatisée.

 

D'autres soulignent l'aspect pédagogique et esthétique irremplaçable de cette démarche.

 

Ainsi nombre de chimistes vénèrent Robert Woodward et Elias Corey, non pas tant pour ce qu'ils ont fait, mais pour la manière dont ils ont fait ; la beauté de leur geste chimique en quelque sorte.

 

C'est R. Woodward qui écrit :

 

 “The unique challenge which chemical synthesis provides for the creative imagination and the skilled hands ensures that it will endure as long as men write books, paint pictures, and fashion things which are beautiful, or practical, or both.

 

Une belle synthèse totale, on l'admire comme un tableau de maître !

 

Azadirachtine
Azadirachtine

Défenseur de la beauté de l'art chimique, certains perpétuent la lente élaboration de molécules complexes, retouchant sans cesse leur oeuvre, comme un peintre sa toile, pour atteindre leur Graal.

 

Dans le genre, Steven Ley - un géant de la synthèse totale - a fait très fort en réalisant la première synthèse totale de l'azadirachtine, un répulsif, qu'il publie en 2007... après 22 ans d'efforts !

 

On comprendra la difficulté de ce travail quand on aura identifié les 16 centres stéréogéniques de cette molécule... dont 7 sont tétrasubstitués !

 

 “I don't have to be first; the elegance of the approach is what interests me” 

 

L'élégance de l'approche est ce qui m'intéresse confiera-t-il après son exploit.

 

En fait ce travail n'est pas totalement gratuit, outre son intérêt pédagogique évident, il aura permis d'explorer de nouvelles voies de synthèse  mettant en jeu de nouveaux groupements protecteurs (éléments clés dans une synthèse multistade) et des catalyseurs ou réactifs inédits.

 

Cependant la recherche biomédicale se dirige aujourd'hui vers d'autres approches, utilisant par exemple le génie génétique.

 

CRISPR (voir le blog), en particulier, est à l'origine d'un bouleversement majeur dans ce domaine. Contrairement à d'autres méthodes d'édition de gènes, la technique est peu coûteuse, rapide et facile à utiliser.

 

Beaucoup de chercheurs explorent cette voie, espérant ainsi vaincre de nombreuses maladies, créer des plantes plus résistantes, supprimer nombre d'agents pathogènes et bien plus encore.

 

Néanmoins de sérieux problèmes d'éthique vont être soulevés par ces travaux. La publication récente par une équipe chinoise, de résultats à propos de l'édition de gènes d'embryons humains, n'a pas manqué d'ouvrir ce débat.

 

VOIR ICI le projet du Dr Kathy Niakan (Francis Crick Institute )

 

Finalement l'avenir de la chimie dans la science du médicament pourrait se trouver dans une sorte de complexité collective où une série de petites molécules - faciles d'accès - pourraient oeuvrer de concert, comme les biomolécules le font dans la cellule.

 

Article de Nature ICI