Les nano-machines - Université Paul Sabatier

Magazine scientifique - numéro
Juin 2009
Paul Sabatier
www.ups-tlse.fr
Délégation
Midi-Pyrénées du CNRS
Avec la
participation de
Administration déléguée
Midi-Pyrénées, Limousin de l’Inserm
16
Dossiers
Les
Nano-machines
L’Evolution
des Espèces
Dossiers
Les
Nano-machines
L’Evolution
des Espèces

édito
Cinq ans déjà !
En juin 2004 est paru le premier numéro du magazine
scientifique Paul Sabatier. Malgré quelques ajustements dans
le format opérés au cours des premiers numéros, l’objectif
est resté constant : faire connaître les résultats et les
compétences des équipes de nos laboratoires. Le choix a été
d’utiliser une forme d’écriture de bon niveau scientifique,
mais compréhensible pour un lecteur non spécialiste.
Le magazine s’est fait connaître par la qualité de ses dossiers
scientifiques, qui permettent d’explorer une thématique,
d’apporter les réponses des chercheurs à une question, de
faire le point sur le niveau des connaissances dans un
domaine donné. Au rythme de deux dossiers par numéro
ce sont 32 dossiers qui ont été publiés couvrant la presque
totalité des champs disciplinaires de notre université.
Accompagnant ces dossiers, les pages « vie des laboratoires »
permettent de coller à l’actualité scientifique, en présentant
des résultats significatifs qui ont donné lieu à des publications du plus haut niveau.
Pour pouvoir diffuser le magazine dans les universités et institutions internationales, il a été
décidé d’éditer une version en anglais, à partir du début 2008. Ce sont ainsi 600 exemplaires qui
s’ajoutent aux 2000 exemplaires en langue française. Enfin, la possibilité d’accéder au
magazine en ligne à travers le site web de l’UPS permet une large diffusion à tous les publics
intéressés par la vie scientifique toulousaine.
Sachant que la presque totalité de nos laboratoires sont des unités mixtes, le magazine Paul
Sabatier a souhaité rendre visible cette coopération entre établissements et organismes. Ainsi,
une convention a été signée, dès les premiers numéros, avec la délégation régionale du CNRS
et avec celle de l’Inserm. Cet accord permet au magazine de bénéficier des compétences du
CNRS et de l’Inserm dans le comité de rédaction. Egalement, les enseignants-chercheurs de
l’INP et de l’INSA appartenant aux unités mixtes participent activement au contenu de nos
articles, malgré l’absence d’un accord formel avec ces deux établissements. Le magazine Paul
Sabatier est bien la vitrine de la presque totalité des sciences, technologies et santé du site
toulousain. Un anniversaire permet aussi de regarder le chemin parcouru et de féliciter le
comité de rédaction de ce magazine pour son travail de qualité en l’encourageant à continuer
dans cette voie.
Le premier dossier présenté dans ce numéro traite des nano-machines. C’est un domaine
particulier des nanosciences, qui nécessite une étroite collaboration entre spécialistes de la
physique, de l’automatique et de la biologie. Domaine peu connu, dans lequel les équipes
toulousaines sont parmi les meilleures au monde. Vous allez découvrir comment les
chercheurs conçoivent des roues, des engrenages, des moteurs d’échelle nanométrique.
Un vrai meccano utilisant les technologies les plus avancées. Fascinant !
Le deuxième dossier est consacré à l’évolution des espèces. Dans cette année Darwin, il nous
a semblé intéressant de faire le point sur nos connaissances actuelles concernant les
mécanismes de l’évolution. Si la génétique est devenue un outil incontournable, on verra
qu’elle ne peut pas expliquer tous les modes d’évolution biologique. L’évolution fournit le cadre
général à toute approche scientifique du vivant. De ce fait, ce thème majeur de l’étude du
vivant joue un rôle structurant dans de nombreuses recherches à l’Université Paul Sabatier.
Je vous souhaite une agréable lecture…
Gilles FOURTANIER
Président de l’Université Paul Sabatier
MAGAZINE UPS
N° 16 — JUIN 2009
Illustration
de couverture:
Le propithèque
à couronne dorée
(Propithecus tattersali),
espèce forestière menacée
du nord de Madagascar.
En surimposition
une phylogénie
des primates. (voir dossier
sur l'évolution des espèces).
Directeur
de la publication:
Gilles Fourtanier
Rédacteur en chef :
Daniel Guedalia
Comité de rédaction:
Isabelle Berry
Patrick Calvas
Daniel Guedalia
Guy Lavigne
Fréderic Mompiou
Aude Olivier
Carine Desaulty
(délégation Midi-Pyrénées
du CNRS)
Gaël Esteve
(administration déléguée
Midi-Pyrénées de l’Inserm)
Conseillère de rédaction:
Anne Debroise
Diffusion:
Joëlle Dulon
Coordination dossiers
scientifiques:
Les nano-machines :
Frédéric Mompiou
L’évolution des espèces :
Etienne Danchin
Conception graphique
et impression:
Ogham-Delort
05 62 71 35 35 n°9100
dépôt légal:
Juin 2009
ISSN: 1779-5478
Tirage: 2000 ex.
Université Paul Sabatier
118, route de Narbonne
31062 Toulouse cedex 9

Vos encouragements, vos critiques, vos suggestions, une seule adresse :
re[email protected]
Vous pouvez consulter et télécharger ce magazine et les numéros antérieurs
sur le site www.ups-tlse.fr (rubrique « diffusion des savoirs »)
sommaire
Dossier:
Les nano-machines
Le prix international
Amélia Earhart
Vie des laboratoires
- L’abus de fer
- Coup de chaleur sur l’océan
- La mission spatiale Biomass
- La biologie dans l’espace
- Les neurones…
- La sensibilité aux médicaments
Dossier:
L’évolution des espèces
4
14
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page 4 Paul Sabatier — Le magazine scientifique — numéro 16
De nos jours, la miniaturisation est
omniprésente : voitures, hélicoptères, satellites,
calculateurs, mémoires, téléphones….
Aujourd’hui on commence à construire
des nano-machines dont les domaines
d’application concernent des disciplines telles
que la biologie, la physique, l’automatique…
En fait, il y a bien longtemps qu’artisans puis
ingénieurs s’évertuent à développer le savoir-
faire d’une réduction en taille des machines
pour nous faire bénéficier de ses avantages.
On s’émerveille encore du calculateur
astronomique d’Anticythère qui deux siècles
avant notre ère faisait entrer un système solaire
en miniature dans la maison du philosophe
grec Hipparchus. Il était fait d’une trentaine
d’engrenages en bronze chacun d’un diamètre
de quelques centimètres. Transmis par la
science arabe aux horlogers de la fin du moyen
âge puis revisités par un Blaise Pascal pour
sa machine à calculer mais aussi par les
amoureux des automates, ces mécanismes
miniatures ont longtemps tenu la technologie
des machines sans trop se voir réduire en taille.
La technologie monolithique inventée avec la
micro électronique a ensuite donné une
nouvelle impulsion à la miniaturisation des
dispositifs électroniques et mécaniques. Il est
devenu possible de fabriquer des engrenages en
matériaux solides d’un diamètre inférieur à
100 nm. Du coup, une nouvelle question est
apparue au début de ce siècle: à partir de cette
échelle peut-on encore fabriquer et faire
tourner des roues, assembler des trains
d’engrenage ou des machineries mécaniques
d’une taille encore plus petite ?
De plus en plus petit
Cette question intéresse bien sûr la technologie
des machines puisqu’il est généralement admis
que la réduction en taille d’une machine
permet d’en améliorer le temps de réponse ou
l’efficacité énergétique par rapport à une
grande sœur non miniaturisée. Cette question
interroge aussi les grands principes de la
physique comme le principe de superposition
de la mécanique quantique et le second
principe de la thermodynamique. On sait aussi
depuis le milieu des années soixante dix et
grâce aux travaux précurseurs de Paul Boyer
(Prix Nobel de chimie en 1997), que la Nature
a devancé cette question. En effet, certains
processus élémentaires de la vie d’une cellule
utilisent des machineries macromoléculaires
complexes en jouant sur des changements de
conformation d’assemblages de protéines
pour créer du mouvement.
Un mot nouveau est donc apparu dans
le vocabulaire scientifique :
« nano-machine ». Pour les uns, une nano-
machine est une machine dont la taille ne
mesure que quelques nanomètres. Pour
d’autres, une nano-machine est une machine
miniature dont les pièces élémentaires sont
fabriquées avec une précision de l’ordre du
nanomètre. Les six contributions de ce dossier
présentent des nano-machines répondant à ces
deux définitions et qui sont explorées dans les
laboratoires toulousains.
Des systèmes et des approches variées
A l’UPS, des équipes de biologistes ont disséqué
le fonctionnement de plusieurs nano-machines
du vivant à l’aide d’approches expérimentales
in vitro novatrices à l’échelle de macromolécule,
molécule unique. Ainsi, à l’Institut de
pharmacologie et biologie structurale (IPBS,
unité mixte UPS/CNRS), deux équipes
travaillent à élucider les mécanismes de
Les nano-machines
mécaniques
Constituées d’une molécule unique ou d’un ensemble complexe de molécules
parfaitement assemblées à l’échelle du nanomètre, les nano-machines
réalisent des fonctions analogues aux machines mécaniques de notre échelle.
Comprendre et maîtriser ces nano-machines est la motivation des chercheurs
toulousains dans de nombreuses disciplines telles la biologie, la physique ou
l’automatique.
dOSSIER
LES NANO-MACHINES
>>> Christian JOACHIM, directeur de recherche
CNRS au Centre d'Elaboration de Matériaux et
d'Etudes Structurales (CEMES, unité propre CNRS,
associée à l’UPS), Laurence SALOMÉ, directrice de
recherche CNRS à l’Institut de Pharmacologie et
Biologie Structurale (IPBS, unité mixte UPS/CNRS)
et Christophe VIEU, professeur à l’UPS,
au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture
des Systèmes (LAAS, unité propre CNRS,
associée à l’UPS). © Cyril Frésillon/CNRS

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machineries de l’ADN responsables de sa
réplication et de sa recombinaison, deux
processus essentiels pour le maintien et
l’évolution du génome. Pour l’étude de la
réplication de l’ADN, les chercheurs analysent
le résultat du travail effectué par cette nano-
machine protéique dans la cellule en
cartographiant individuellement les molécules
d’ADN synthétisé. La méthode utilisée est le
peignage moléculaire, mais une approche
originale potentiellement plus performante est
à l’étude en collaboration avec un chercheur du
Laboratoire d’analyse et d’architecture des
systèmes (LAAS, unité propre CNRS, associée à
l’UPS). Les machineries de la recombinaison sont
elles étudiées au sein d’un deuxième groupe en
collaboration avec des collègues du Laboratoire
de Microbiologie et génétique moléculaires
(LMGM, unité mixte UPS/CNRS). L’approche
consiste cette fois à observer le travail effectué
par la nano-machine impliquée en détectant au
cours du temps les modifications induites sur
la molécule d’ADN. Ceci est effectué à l’aide d’un
« jokari » moléculaire : la technique de « Tethered
Particle Motion ». Une variante de cet outil, la
pince magnétique, permet d’étudier le
comportement sous force des nano-machines
biologiques. Elle est utilisée par une équipe du
Laboratoire de biologie moléculaire eucaryote
(LBME, unité mixte UPS/CNRS) pour élucider le
mécanisme de migration d’une jonction de
Holliday existant entre deux molécules d’ADN
qui échangent leurs brins.
Au LAAS, on étudie une machinerie protéique
encore plus complexe faite d’une centaine de
protéines assemblées en un moteur flagellaire de
45 nm de diamètre. Ce moteur naturel se trouve
à la base du flagelle des bactéries et permet leur
propulsion à des vitesses impressionnantes
(60 fois leur longueur par seconde). L’objectif de
ces chercheurs est double : comprendre le
fonctionnement de ce nanomoteur et mettre en
place une technologie capable de reconstituer
cette nanomachine naturelle au sein d’un
dispositif artificiel. Les chercheurs du LAAS
étudient les raisons d’une telle efficacité et
essayent de découvrir comment cette
nanomachine s’auto-assemble. Pour comprendre
son fonctionnement et son assemblage, rien de
tel que d’essayer de la « remonter » à partir de
ses rouages élémentaires : les protéines !
Au CEMES (unité propre CNRS, associée à l’UPS)
les chercheurs du groupe Nanosciences (GNS)
approchent la question des nano-machines par
en bas. Au lieu de poursuivre, avec les outils
standard de la miniaturisation, la fabrication de
machines de plus en plus petites, ils partent des
atomes eux même. Ils remontent en taille pour
trouver le nombre d’atomes juste nécessaire à la
construction par exemple d’un engrenage, d’une
crémaillère ou même d’une voiture. Cette
approche moléculaire des nano-machines est née
à Toulouse. Pour faire fonctionner une molécule-
machines, les chercheurs du GNS utilisent le
microscope à effet tunnel. Dernier né des
microscopes (inventé en 1981), il permet de
cartographier la surface d’un métal ou d’un
semi-conducteur avec une précision meilleure
que 0.01 nm. Une fois la pointe de ce microscope
fabriquée avec soin, l’expérimentateur peut
manipuler un seul atome ou une seule molécule
à la fois et donc fournir à une molécule machine
complexe l’énergie nécessaire à son
fonctionnement.
Contact : [email protected],
[email protected], [email protected]
Les
nano-machines
>>> Sur un fond représentant le calculateur d'Anticythère (IIème siècle avant notre ère, musée d'Athènes),
quelques nano-machines (vue d'artiste).