Les nanotechnologies et la biologie, deux domaines en rapprochement constant

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L’un des maitre-mots de la recherche scientifique au XXIème siècle est l’interdisciplinarité, ou transversalité. En sortant d’une spécialité unique, les différents champs de recherche s’ouvrent toujours plus aux solutions issues d’autres domaines, et les nanotechnologies ne font pas exception à cette dynamique. Ainsi, l’une des relations les plus prometteuses que l’on voit se développer à grande vitesse est celle entre les nanotechnologies et la biologie, où les procédés et mécanismes découverts dans l’une peuvent résoudre des problèmes complexes dans l’autre.

Les cellules organiques réalisent des travaux de chimie et de physique des matériaux qui demeurent souvent en-dehors de portée des moyens couramment associés aux nanotechnologies. Ainsi, il existe une motivation importante dans ce domaine pour "domestiquer" les mécanismes biologiques et leur faire produire les résultats recherchés. On trouve par exemple les travaux réalisés par une équipe de Caltech qui cherchait à obtenir des quantités importantes de molécules cycliques de carbone, très utiles comme point de départ pour la synthèse d’autres molécules. Pour pallier les difficultés inhérentes à la formation de ces cycles de carbone (les angles que font les liaisons internes causent de fortes contraintes), la solution trouvée a été de créer des bactéries qui vont faire le travail par elles-mêmes.

Représentation artistique d’un enzyme bactérien et de la molécule cyclique carbonée (en bleu) qu’il a créée.
Crédits : Caltech

Déjà expérimentée en génie génétique, l’équipe de Frances Arnold à Caltech a modifié les gènes de la bactérie Escherichia coli, lui introduisant un enzyme qui va permettre à la bactérie de transformer des molécules de sucre en cycles de carbone. Non seulement la méthode est simple et rapide, mais elle est aussi d’une très grande précision, produisant des cycles de chiralité (paramètre chimique de symétrie) choisie par les chercheurs. Cette fiabilité et efficacité leur permet désormais de travailler avec ces cycles pour produire des matériaux intelligents (ces cycles, une fois intégrés dans de plus grandes molécules, peuvent par exemple leur permettre de conduire l’électricité dans des conditions environnementales particulières), mais aussi de les utiliser pour créer de nouvelles molécules comme celles utilisées en pharmacie.

Foreuses de taille moléculaire activées par un rayonnement électromagnétique pour détruire des cellules cancéreuses.

Le croisement de la biologie et des nanomatériaux n’est pas à sens unique : la maitrise des matériaux aux échelles de l’infiniment petit s’avère aussi d’une aide précieuse pour résoudre des problèmes habituellement associés à la biologie. Par exemple, une équipe de Rice University cherche à utiliser des machines de taille moléculaire pour lutter contre le cancer. A partir de moteurs moléculaires (qui ont valu à Jean-Pierre Sauvage et ses collègues le Prix Nobel de Chimie en 2016), James Tour (Rice University, Texas) s’est efforcé avec son équipe de déterminer des méthodes pour permettre à de tels objets, de quelques milliardièmes de mètre, de différencier les cellules cancéreuses de cellules saines. Une fois en position, ces "nanorobots" sont illuminés par des ultraviolets, provoquant une rotation de leur moteur à plusieurs millions de tour par seconde, perçant aisément la membrane des cellules cancéreuses ciblées. A travers cette mécanisation de l’action de notre système immunitaire, les nanotechnologies sont cette fois-ci au service de la biologie.

Ces découvertes à l’interface de la biologie et de la physique, qui impliquent la collaboration entre des chercheurs aux compétences a priori très différentes, sont de plus en plus présentes. Selon Susan Hockfield, ex-présidente du MIT et présidente 2018 de l’American Association for the Advancement of Science (AAAS), l’innovation technologique au 20ème siècle a bénéficié du "mariage" entre la physique et l’ingénierie. La convergence des disciplines scientifiques, et en particulier de l’ingénierie et de la biologie, sera, selon elle, la clé de l’innovation au 21ème siècle.


Rédacteurs :
Laurent Pelliser, Attaché adjoint au Consulat Général de France de Houston