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La chimie au Collège de France

La chimie à l’interface avec la biologie : une science pour aujourd’hui et demain

Marc Fontecave
p. 10-11

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Mots-clés :

chimie
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Texte intégral

1L’année internationale de la chimie est l’occasion de rappeler plusieurs caractéristiques propres à cette discipline, trop souvent et trop injustement décriée par l’opinion et les médias et pourtant si centrale pour le développement économique et le bien-être de nos sociétés.

2Tout d’abord la chimie est seule, peut être, à avoir des frontières avec l’ensemble des autres disciplines. Cela lui donne la possibilité d’intervenir de façon pertinente et originale sur pratiquement tous les grands défis de l’humanité du xxie siècle (alimentation, énergie, santé, environnement, etc.). En effet, si aujourd’hui les disciplines sont devenues essentiellement interdépendantes, la chimie est probablement celle qui a le plus souvent et le plus profondément multiplié ses incursions chez les autres – sciences de la vie et de la santé, physique et matériaux, sciences pour l’ingénieur, sciences de la terre et de l’environnement –, qui toutes la sollicitent en permanence. Le développement de ces interfaces constitue sans nul doute l’un des enjeux les plus importants de la science contemporaine. Malheureusement il n’est pas certain que la recherche française soit à la hauteur de cette ambition tant les barrières culturelles et organisationnelles à la multidisciplinarité sont fortes.

3Sollicitée, la chimie l’est parce qu’elle est avant tout la science de la création des molécules et des matériaux dont dépend tout le reste. C’est donc elle qui façonne le monde concret dans lequel nous vivons (médicaments, cosmétiques, polymères, plastiques, verres, pour ne citer que quelques composés chimiques de notre univers). Notre futur prendra forme autour des molécules et des matériaux inventés dans les laboratoires de chimie. Ces mondes possibles sont infiniment nombreux tant le potentiel de transformation chimique de la matière et des sociétés est grand et tant les questions fondamentales que pose la chimie, science positive par excellence, sont marquées par leur utilité pratique potentielle. La chimie, ne l’oublions pas, c’est aussi une industrie. En France, elle est le second secteur après l’automobile et représente une centaine de milliards d’euros de chiffre d’affaires pour plus d’un millier d’entreprises et 250 000 salariés, ce qui situe notre pays au second rang en Europe et au cinquième dans le monde.

4S’il s’agit désormais de construire une société durable, dans laquelle les hommes sauront enfin satisfaire leurs besoins sans compromettre l’avenir des générations futures, la science sera sollicitée pour trouver des stratégies totalement innovantes, propres, économiques, efficaces et surtout durables pour la production de carburants, d’électricité, de matériaux.

5Il est évident que la chimie, celle qu’on nomme désormais « verte », jouera un rôle majeur dans le développement de cette nouvelle science. Elle traduira dans des procédés de synthèse nouveaux son souci de la toxicité potentielle des solvants, des produits et des réactifs, de l’utilisation de produits de départ renouvelables, enfin de la limitation des déchets et de la dépense énergétique associée.

6À l’évidence, la chimie du vivant, à la fois chimie bio-organique et chimie bioinorganique, jouera un rôle majeur dans ce nouveau contexte. Par exemple, il y a urgence à développer le domaine de la toxicologie. La compréhension à l’échelle moléculaire de l’impact d’un produit chimique sur un organisme vivant complexe constitue un passionnant défi pour le chimiste. Il doit s’attacher à établir cette relation structure chimique/toxicité qui permettra non seulement d’éviter l’introduction dans notre environnement de substances toxiques mais également de valider, dans les cas favorables, l’exploitation de composés nouveaux, devenue de plus en plus difficile. Un second domaine est celui de la biocatalyse qui offre des moyens sans précédent pour accélérer, orienter et optimiser les réactions chimiques, y compris à l’échelle industrielle, pour les rendre plus propres et plus économes en matière, en énergie et en déchets. La découverte de nouvelles enzymes et la compréhension de leur fonctionnement apporteront des solutions originales et pratiques pour la transformation chimique de la matière. Elles permettront par exemple l’utilisation de microorganismes entiers ou d’enzymes comme catalyseurs dans des procédés industriels et biotechnologiques, pour la valorisation du méthane et des hydrocarbures, pour la dégradation des parois cellulaires végétales et la transformation de la cellulose en biocarburants, pour la récupération et l’utilisation du dioxyde de carbone, ou encore pour la production d’intermédiaires clés à forte valeur ajoutée dans la synthèse d’un médicament. Les procédés biotechnologiques de synthèse représentaient 5 % du marché de l’industrie chimique en 2003. Ils devraient concerner environ 30 % de la production en 2020 et devenir une technologie dominante dans le futur. Enfin la chimie biologique continuera à trouver des solutions originales dans le domaine de la santé. La biologie et ses applications en médecine ont constitué la grande aventure scientifique de la fin du xxe siècle. Le résultat est extraordinaire, comme le montre l’accroissement continu de l’espérance de vie, en particulier dans les pays développés. La chimie a joué dans ce progrès un rôle majeur. Il ne fait aucun doute que la recherche de nouveaux médicaments restera une activité centrale de la chimie du vivant dans les domaines de l’infectiologie, des grandes maladies neuro-dégénératives ou cardio-vasculaires et du cancer. Malgré les progrès des technologies de thérapie génique et cellulaire qui ouvrent des perspectives passionnantes, le médicament restera longtemps encore très majoritairement moléculaire – molécule de synthèse ou naturelle, petite molécule ou macromolécule biologique – et les progrès de la médecine et de la santé resteront largement tributaires de la chimie.

7La chaire de Chimie des processus biologiques du Collège de France s’inscrit clairement dans cette interface entre la chimie et la biologie, à la fois dans le contenu de ses enseignements et dans ses travaux de recherche, notamment dans les domaines de la catalyse et de la biocatalyse, à travers l’étude de systèmes enzymatiques complexes (en particulier métallo-enzymatiques) impliqués dans des voies métaboliques, des réactions biosynthétiques et des processus bioénergétiques qui restent à découvrir et à comprendre.

8Une approche emblématique de ces recherches destinées à inventer de nouveaux catalyseurs est celle de la chimie dite « biomimétique » ou « bioinspirée ». Il s’agit pour le chimiste d’identifier une réaction biologique d’intérêt, de caractériser le plus complètement possible l’enzyme responsable de cette transformation et plus particulièrement son site actif, c’est-à-dire la toute petite partie de l’enzyme où s’effectue la réaction, d’en comprendre les principes de fonctionnement (relation structure-activité) et, finalement, de synthétiser une molécule originale, un modèle chimique, qui, respectant ces principes, reproduit éventuellement la structure mais surtout la réactivité de ce site actif.

9Une de nos publications récentes illustre cette approche (Science, 2009). La nécessité de remplacer le platine par des catalyseurs à base de métaux non nobles dans des applications de type électrolyseurs et piles à combustible nous a conduit à étudier les hydrogénases, des métalloenzymes fascinantes qui catalysent l’interconversion eau-hydrogène dans divers microrganismes. En nous inspirant de leur site actif, unique à bien des égards, à base de nickel et de fer, nous avons pu « inventer » un catalyseur original constitué d’un complexe de nickel fixé sur des nanotubes de carbone, présentant des performances s’approchant de celles du platine (voir figure ci-contre). Immobilisé sur une électrode ce matériau se révèle extrêmement stable et capable de fonctionner, sans surtension et de manière réversible, en milieu très acide ce qui lui permet d’être compatible avec les membranes échangeuses de protons (comme le Nafion®), utilisées de manière quasi-universelle dans les dispositifs électrochimiques fonctionnant à basse température. Cette approche de chimie bioinspirée sera exploitée dans un avenir proche pour mettre au point des dispositifs de phototransformation du dioxyde de carbone en carburants. Cette « photosynthèse artificielle » constitue un enjeu scientifique majeur.

Représentation schématique de la structure et de la réactivité du matériau obtenu par greffage du catalyseur bio-inspiré nickel bisdiphosphine (le ligand diphosphine est représenté en rouge et les fonctions amines qu’il renferme sont indiquées en orange) sur nanotubes de carbone. Les flèches orange indiquent l’échange d’électrons entre les nanotubes et le catalyseur. L’interaction entre un ligand hydrure porté par le nickel et un proton porté par une fonction amine qui facilite la réduction des protons en hydrogène ou l’oxydation de ce dernier est schématisée en vert.

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Bibliographie

A. Le Goff, V. Artero, B. Jousselme, N. Guillet, R. Métayé, A. Fihri, S. Palacin, M. Fontecave ? « From Hydrogenase Mimics to Noble-Metal Free Hydrogen-Evolving Electrocatalytic Nanomaterials », Science 2009, vol. 326, no 5958, p. 1384-1387, DOI : 10.1126/science.1179773

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Table des illustrations

Légende Représentation schématique de la structure et de la réactivité du matériau obtenu par greffage du catalyseur bio-inspiré nickel bisdiphosphine (le ligand diphosphine est représenté en rouge et les fonctions amines qu’il renferme sont indiquées en orange) sur nanotubes de carbone. Les flèches orange indiquent l’échange d’électrons entre les nanotubes et le catalyseur. L’interaction entre un ligand hydrure porté par le nickel et un proton porté par une fonction amine qui facilite la réduction des protons en hydrogène ou l’oxydation de ce dernier est schématisée en vert.
URL http://lettre-cdf.revues.org/docannexe/image/1186/img-1.png
Fichier image/png, 273k
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Pour citer cet article

Référence papier

La Lettre du Collège de France no 31, Paris, Collège de France, juin 2011, p. 10-11, ISSN 1628-2329.

Référence électronique

Marc Fontecave, « La chimie à l’interface avec la biologie : une science pour aujourd’hui et demain », La lettre du Collège de France [En ligne], 31 | juin 2011, mis en ligne le 28 novembre 2011, consulté le 25 octobre 2014. URL : http://lettre-cdf.revues.org/1186

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Auteur

Marc Fontecave

Professeur au Collège de France. Titulaire de la chaire de Chimie des processus biologiques

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Droits d’auteur

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