Les prix Nobel 2015 de médecine, physique et chimie

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Les prix Nobel 2015 de médecine, physique et chimie

Ils ont mis au point des traitements efficaces contre les maladies parasitaires, découvert que les neutrinos ont une masse ou encore les mécanismes de réparation de l’ADN. Retour sur les parcours qui ont mené à ces résultats aujourd’hui récompensés.

MÉDECINE
LA LUTTE CONTRE les parasitoses

MÉDECINE LA LUTTE CONTRE les parasitoses

C’est un pan de la recherche rarement sous les projecteurs que le jury du Nobel a récompensé en octobre dernier : la parasitologie. Les trois lauréats ont mis au point des traitements contre des maladies parasitaires, qui touchent des centaines de millions de personnes chaque année dans les pays du Sud. La Chinoise Youyou Tu, de l’Académie chinoise de médecine traditionnelle, a découvert l’artémisinine, remède contre le paludisme; le Japonais Satoshi Omura, de l’université Kitasato, et l’Américain William C. Campbell, de l’université Drew, l’avermectine contre des maladies, dues à des vers ronds (les nématodes), telle la filariose lymphatique, elle aussi transmise par des moustiques.
En 1967, alors que des milliers de composés synthétiques avaient été testés contre le paludisme sans résultats, Youyou Tu a pour mission de trouver un remède de médecine traditionnelle. Avec trois assistants, elle étudie plus de 2 000 recettes utilisées contre le paludisme chez l’animal. Elle teste 380 extraits d’herbes sur des souris, et identifie l’armoise annuelle ( Artemisia annua ), plante commune en Chine, comme étant la plus efficace. En 1972, elle en isole le principe actif, l’artémisinine. Le remède agit chez l’homme et chez l’animal. L’Organisation mondiale de la santé (OMS) le recommande, combiné à d’autres antipaludiques pour cause de résistances. Depuis, le groupe pharmaceutique Sanofi a breveté un procédé de production d’artémisinine synthétique.
Dans les années 1970, William C. Campbell, alors chercheur à l’institut Merck, aux États Unis, découvre l’avermectine, produite par la bactérie Streptomyces avermitilis à partir de souches bactériennes du sol qu’avait cultivées Satoshi Omura en laboratoire. Le composé est très efficace contre des parasites d’animaux et actif chez l’homme. Son dérivé, l’ivermectine, est, selon l’OMS, l’un des médicaments essentiels pour de plus en plus de maladies parasitaires humaines et animales.

PHYSIQUE
LE POIDS DES NEUTRINOS dans l’histoire de l’Univers

Takaaki Kajita et Arthur B. McDonald

Chaque seconde, des milliards de neutrinos, provenant pour la plupart du Soleil, traversent la Terre. Ni vu ni connu, car ces particules interagissent très peu avec la matière. Imaginés en 1930 par Wolfgang Pauli, les neutrinos sont des particules élémentaires majeures du modèle standard formalisé depuis les années 1970 pour expliquer la structure intime de la matière. Ils sont créés lors de réactions entre particules dans le Soleil et les étoiles, dans l’atmosphère mais aussi dans les réacteurs nucléaires et même dans nos propres corps quand le potassium qu’il contient se désintègre. Ils peuvent naître sous trois identités (à l’image de leurs partenaires respectifs chargés, l’électron, le muon et le tau) : neutrino électronique, neutrino muonique ou neutrino tauique. Cette caractéristique identitaire est baptisée «saveur».
Ce que couronne cette année le prix Nobel de physique, c’est la preuve qu’au cours de leur propagation, ils changent d’identité et « oscillent entre ces trois saveurs ». Le Japonais Takaaki Kajita, de l’université de Tokyo, et le Canadien Arthur B. McDonald, de la Queen’s University, ont observé le phénomène, en 1998 puis en 2001, chacun de leur côté, sur deux sources différentes de neutrinos. Un changement de saveur qui bouleverse la grande cuisine de l’Univers. Car cela implique que le neutrino a une masse non nulle. Ce que le modèle standard de la physique des particules ne prévoyait pas.

DES MASSES DIFFÉRENTES, DONC NON NULLES

L’explication mérite un détour par la physique quantique. Pour voyager, la nature impose à toute particule d’avoir une masse précise, même si elle est nulle ! Selon le principe de superposition, le neutrino se répartit sur ses trois états de masse possibles, avec des coefficients de mélange bien précis pour chaque saveur initiale de neutrino. Ces trois composantes voyagent alors comme trois ondes indépendantes. Si elles étaient en phase, on observerait toujours la même combinaison au cours du voyage.
Les deux équipes des lauréats ont été les premières à montrer que les combinaisons varient, ce qui implique que les trois composantes voyagent à trois vitesses différentes : elles ne sont pas en phase et oscillent.
Cela prouve qu’elles ont des masses différentes, donc non nulles. Autrement dit, selon la distance parcourue par un neutrino, les probabilités varient de le détecter sous telle ou telle saveur. Comment ont-ils observé ces oscillations ?
Comme toujours, scruter l’infiniment petit suppose de gigantesques expériences. Takaaki Kajita a, le premier, vérifié cette métamorphose grâce au détecteur Super Kamiokande, à 250 kilomètres de Tokyo : une piscine de 40 mètres de haut et de large, à 1 000 mètres sous terre, remplie de 50 000 tonnes d’eau ultrapure. Tout autour de la piscine, plus de 11 000 détecteurs scrutent l’éclair bleuté de la «lumière Cherenkov», signe qu’un neutrino a frappé un atome de l’eau. Ces flashs indiquent l’identité du neutrino et la distance parcourue.
Super-Kamiokande, conçu pour détecter les neutrinos électroniques et muoniques provenant de l’atmosphère, en a vu presque 5 000, en moins de deux ans. Or les neutrinos muoniques provenant de l’atmosphère proche étaient bien plus nombreux que ceux provenant de l’autre côté de la Terre, sortant du fond de la piscine, après 10 000 kilomètres de voyage dans la roche qui, rappelons-le, ne constitue aucune sorte d’obstacle. Les neutrinos électroniques étaient, quant à eux, en nombre comparable. L’équipe de Takaaki Kajita, comme le reste de la communauté ensuite, a vite été convaincue qu’une partie des neutrinos muoniques s’était transformée en traversant la Terre en neutrino tauique après avoir oscillé.
Arthur B. McDonald a résolu l’énigme en 2001 grâce à l’expérience de l’Observatoire de neutrinos de Sudbury, au Canada, constitué d’une piscine sphérique remplie de 1 000 tonnes d’eau lourde à 2 000 mètres sous terre. Ses 9 500 détecteurs, capables d’identifier d’une part les neutrinos électroniques, d’autre part la somme de tous les types de neutrinos, d’origine solaire cette fois, a enregistré un tiers de saveur électronique. Les autres neutrinos, également nés électroniques, s’étaient transformés, durant le voyage, en neutrinos des deux autres saveurs. Depuis, les oscillations de neutrinos ont été confirmées dans de nombreuses expériences, y compris dans des accélérateurs ou des réacteurs nucléaires.

L’ÉNIGME DE L’ABSENCE DE L’ANTIMATIÈRE

Les conséquences de cette découverte majeure concernent tant l’infiniment petit que l’infiniment grand. Elle implique, pour la première fois, d’adapter le formalisme du modèle standard en y introduisant de nouveaux paramètres concernant les masses et les coefficients de mélange. Certains de ces paramètres sont bien connus ; d’autres, tel le troisième coefficient de mélange, restent à préciser. Cela permettra de connaître la nature de l’antineutrino qui semble différer de celle du neutrino.
Cette différence pourrait expliquer une autre grande énigme : l’absence d’antimatière dans l’Univers alors que le Big Bang a dû créer autant de matière que d’antimatière. Enfin, par leurs masses, les neutrinos, présents en quantité astronomique, pèsent autant que toutes les étoiles visibles et pourraient contribuer à la masse manquante de l’Univers, la matière noire.

CHIMIE
LA RÉPARATION de l’ADN élucidée

Aziz Sancar-Thomas Lindahl-Paul Modrich

Contrairement à ce que l’on supposait, notre matériel génétique, l’ADN, est sans cesse la cible de diverses attaques génotoxiques provenant de rayonnements ultraviolets (UV), de radicaux libres ou de substances présentes dans notre environnement, parfois cancérigènes. Afin de préserver l’intégrité de notre génome, nos cellules mettent en oeuvre, en permanence, une panoplie de judicieux systèmes de réparation que les trois lauréats ont décrits au niveau moléculaire. Les brins d’ADN altérés sont repérés et coupés par des enzymes, qui sont capables de catalyser des réactions biochimiques puis de les remplacer par des brins corrects. Tomas Lindahl, de l’Institut Francis-Crick, au Royaume-Uni, a ouvert la voie dès les années 1970. Étonné par l’instabilité de l’ARN (molécule porteuse d’information comme l’ADN), il a compris que notre génome subissait chaque jour des milliers de « coquilles », des modifications spontanées de l’ADN. Ensuite, dès 1974, il a élucidé un des mécanismes de réparation de ces altérations, l’excision de base, d’abord sur des bactéries puis, en 1996, sur de l’ADN humain in vitro. De son côté, Aziz Sancar, de l’université de Caroline-du-Nord, a précisé en 1983 le mécanisme d’excision de nucléotide pour les lésions produites par les UV ou par des substances mutagènes, un mécanisme défectueux dans une forme congénitale de cancer de la peau. Enfin, Paul Modrich, de l’université Duke, aux États-Unis, a montré en 1989 (3) comment les cellules réparaient les inévitables erreurs de réplication de l’ADN, par mismatch repair (« réparation des mésappariements »). Un mécanisme défectueux chez les personnes atteintes d’une forme congénitale de cancer du côlon. Les retombées de ces découvertes sont majeures en cancérologie. De nouveaux traitements utilisent cette avancée pour stopper la prolifération des cellules tumorales en inhibant ces mécanismes.

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Ayoub Belkadi
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