C'est la saison des Nobels – cette période de l'année où nous découvrons quelles réalisations révolutionnaires, révolutionnaires et qui ont changé le monde, ont battu les autres pour remporter ce qui est sans doute le prix le plus prestigieux au monde.
D'un interrupteur pour le cerveau à la découverte d'une particule subatomique ultra-insaisissable provenant d'au-delà de notre système solaire, en passant par la solution à l'une des énigmes les plus tenaces de toute la chimie organique, les chercheurs à l'origine des prix scientifiques de cette année ont chacun révolutionné la façon dont les scientifiques comprennent le monde qui les entoure.
Jetez un œil à la science derrière chacun des prix de cette année.
Faire briller une lumière
Une galaxie de près de 90 milliards de neurones existe dans un seul cerveau humain. Mais contrairement aux étoiles du vide, les neurones communiquent entre eux via quelque 100 000 milliards de connexions, permettant à l’esprit humain d’apprendre, de s’adapter et d’interagir avec son environnement.
Pour que les scientifiques puissent comprendre comment les actions individuelles découlent d'une telle complexité, ils avaient besoin d'un outil permettant de relier directement les circuits neuronaux à des comportements spécifiques, a déclaré Abdel El Manira, neuroscientifique à l'Institut Karolinska de Stockholm. « Les neuroscientifiques rêvaient d'un interrupteur neuronal, un outil permettant d'activer ou de désactiver des neurones spécifiques avec une grande précision », a déclaré El Manira lors de l'annonce, le 5 octobre, du prix de physiologie ou de médecine décerné cette année par l'Assemblée Nobel de l'Institut Karolinska.
Entrez l'idée brillante qui a gagné. Il s'agit d'une technologie appelée optogénétique, qui consiste à utiliser la lumière pour activer avec précision des cellules spécifiques, comme les neurones, et observer l'évolution du comportement. Pour leurs contributions fondamentales à l'optogénétique, les biophysiciens Peter Hegemann de l'Université Humboldt de Berlin et Georg Nagel de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg en Allemagne, ainsi que le neuroscientifique Karl Deisseroth de l'Université de Stanford, ont partagé le prix de cette année.
L'histoire des lauréats commence dans un endroit improbable : la tache oculaire d'une algue verte unicellulaire appelée Chlamydomonas. Au début des années 2000, Hegemann, alors à l'Institut Max Planck de biochimie à Martinsreid, en Allemagne, et Nagel, à l'Institut Max Planck de biophysique à Francfort, ont découvert une protéine unique dans la tache oculaire de l'algue. Lorsqu’elle est éclairée, la protéine génère une impulsion électrique permettant à l’organisme de bouger. Des recherches plus approfondies ont révélé que lorsque la protéine, appelée canalrhodopsine, était exposée à la lumière, elle s'ouvrait comme un pore, permettant aux ions chargés positivement de circuler dans une cellule, générant ainsi une impulsion électrique. « Ils venaient de découvrir le changement dont les neuroscientifiques rêvaient depuis longtemps », a déclaré El Manira.
S'appuyant sur les travaux de Hegemann et Nagel, Deisseroth a commencé à tester si la canalrhodopsine pouvait être utilisée pour activer les cellules cérébrales. Lui et ses collègues ont d'abord inséré le gène de la canalrhodopsine dans des cultures de cellules nerveuses de rat et ont découvert que les cellules réagissaient instantanément à la lumière. Ils ont ensuite introduit le gène dans les cellules nerveuses du cerveau de souris vivantes, ainsi que dans les fibres optiques alimentées par le crâne des rongeurs. En projetant de la lumière bleue à travers les fibres, les chercheurs ont pu contrôler les mouvements des moustaches des rongeurs. Cette technologie a donné aux chercheurs la possibilité de tester les liens entre certains circuits cérébraux et certains comportements.
« La technologie, bientôt connue sous le nom d'optogénétique, a transformé les neurosciences », a déclaré El Manira. En plus d’exposer le fonctionnement interne d’un cerveau sain, a-t-il noté, « cela a également contribué à révéler comment les circuits cérébraux sont perturbés, avec des implications pour des conditions telles que la cécité, la dépression et la démence ».
Par exemple, la technologie a été utilisée pour améliorer la vision chez certains patients atteints de rétinite pigmentaire, une maladie qui dégrade les cellules photosensibles de la rétine. Cela aide également les chercheurs à étudier le rôle que joue le cœur d’une personne dans la façon dont elle vit et interagit avec son environnement.
Capturer un fantôme
Au pôle Sud, il existe un bloc de glace qui ne ressemble à aucun autre sur Terre. Enfoui profondément sous la surface de la calotte glaciaire de l’Antarctique, un kilomètre cube de glace est parcouru de milliers de capteurs en forme de perles. Connu sous le nom d’Observatoire des neutrinos IceCube, cet immense instrument permet aux chercheurs de détecter la particule la plus insaisissable de l’univers : le neutrino.
Détecter les neutrinos au-delà de notre système solaire était un objectif des scientifiques depuis des décennies, car cela pourrait aider à comprendre où et comment l'univers accélère les particules jusqu'à des énergies extraordinaires.
Le chercheur qui a dirigé la création de l'observatoire de l'Antarctique, le physicien Francis Halzen de l'Université du Wisconsin-Madison, a reçu cette année le prix Nobel de physique. Halzen a été récompensé « pour ses contributions décisives à l'observatoire de neutrinos IceCube et à la découverte de neutrinos de haute énergie d'origine astrophysique », Mark Pearce, physicien et président du comité Nobel de physique, lors de l'annonce du 6 octobre par l'Académie royale des sciences de Suède.
Les neutrinos sont des particules subatomiques sans charge, incroyablement petites et si éthérées qu'elles traversent souvent les objets sans interagir. En fait, des milliards de neutrinos traversent chacun de nous chaque seconde, dont la plupart sont formés par des réactions de fusion nucléaire au soleil. Mais on pensait que certaines de ces particules fantomatiques provenaient de beaucoup plus loin, lors de collisions de particules à haute énergie si lointaines qu’elles se trouvaient au-delà des limites des observations. Comme les neutrinos ne sont pas déviés par les champs magnétiques et interagissent rarement avec la matière, la détection de la trajectoire d'un neutrino de haute énergie pourrait permettre d'identifier sa source lointaine. Un instrument capable de remplir cette tâche pourrait donc ouvrir une nouvelle fenêtre sur le cosmos.
Dans les années 1980, Halzen s’est rendu compte que le pôle Sud était un endroit idéal pour détecter les rares éclairs de lumière générés lorsque des neutrinos entrent en collision avec des noyaux atomiques. La glace située au plus profond de la calotte glaciaire de l'Antarctique présentait un vaste milieu transparent plongé dans l'obscurité, dans un endroit exempt de tremblements de terre et d'interférences biologiques. C’était la scène idéale pour un spectacle de lumière de neutrinos.
La vision de Halzen s'est concrétisée en 2011, lorsque IceCube a achevé la construction. « Le plus grand risque que nous avons pris est que personne ne savait si un détecteur à champ kilométrique était réellement assez grand pour détecter les neutrinos de l'univers au-delà de notre atmosphère », a déclaré Halzen lors d'un appel téléphonique lors de la cérémonie d'annonce. « Il ne nous a fallu que deux ans pour les détecter. »
Et les découvertes ne s'arrêtent pas là. En 2018, des chercheurs utilisant les données d'IceCube ont rapporté qu'ils avaient retracé un neutrino jusqu'au noyau brillant d'une galaxie lointaine, appelée blazar, identifiant ainsi pour la première fois une source de particules énergétiques. Et en 2023, les chercheurs ont utilisé une décennie de données IceCube pour produire la première carte de la Voie lactée utilisant autre chose que la lumière, rapportant simultanément la première preuve de neutrinos de haute énergie provenant de la galaxie.
Les projets d'un réseau mondial de détecteurs de neutrinos sont désormais en cours. Les scientifiques seront donc bientôt encore mieux équipés pour identifier et démystifier les lointains accélérateurs cosmiques qui propulsent les mystérieuses particules à travers les vastes étendues de l’espace.
Donner un coup de main à la chimie
Dans la nature, les éléments constitutifs de la vie présentent un motif frappant. Beaucoup peuvent exister en deux versions qui sont des images miroir l’une de l’autre, un peu comme votre main droite et votre main gauche. De telles molécules sont dites chirales. Cependant, ils se présentent majoritairement comme l’une de ces formes chirales – par exemple, les acides aminés sont presque toujours gauchers.
Cette uniformité, connue sous le nom d’homochiralité, a longtemps intrigué les scientifiques. Lorsque les chimistes ont tenté pour la première fois de produire des molécules chirales en laboratoire, ils ont abouti à des proportions égales de molécules droites et gauches, ou énantiomères.
« C'est ce casse-tête que les lauréats de cette année ont résolu », a déclaré Heiner Linke, président du Comité Nobel de chimie, lors de l'annonce du prix Nobel de chimie le 7 octobre par l'Académie royale des sciences de Suède.
Henri Kagan, de l'Université Paris-Saclay, et Kenso Soai, de l'Université des sciences de Tokyo, se sont partagé le prix pour les découvertes conduisant « à une réaction chimique qui spontanément, sans l'implication d'autres molécules chirales, crée une seule image miroir », a déclaré Linke, physicien à l'Université de Lund en Suède. « C'est la première fois que cela se produit depuis les processus qui ont conduit à la chiralité de la vie il y a des milliards d'années. »
Si l'on met de côté l'impact des lauréats sur l'un des plus grands mystères de la chimie organique, leurs recherches ont énormément profité au développement de produits pharmaceutiques. De nombreuses molécules actives de médicaments sont chirales, et un énantiomère d’un médicament peut avoir l’effet thérapeutique souhaité tandis que l’autre peut n’avoir aucun effet ou même être nocif, a déclaré Linke.
Un exemple notoire d’un tel préjudice s’est produit dans les années 1950, lorsque des milliers de bébés souffrant de graves malformations congénitales sont nés de femmes qui avaient pris un sédatif appelé thalidomide. Il a été révélé plus tard que l’un des énantiomères de la thalidomide était à l’origine des malformations congénitales. Même fabriquer le médicament avec uniquement l'orientation « sûr » n'a pas résolu le problème : il pouvait changer la main du corps.
En 1986, Kagan et ses collègues ont été les premiers à rapporter des réactions chimiques produisant des énantiomères spécifiques dans des proportions dépassant de loin ce que les chimistes pensaient auparavant possible en utilisant des catalyseurs.
Neuf ans plus tard, Soai et ses collègues ont rapporté qu'ils avaient trouvé comment fabriquer un catalyseur chiral qui pourrait, à son tour, être utilisé pour se former lui-même. Cela leur a permis d’effectuer des réactions qui ont abouti à des produits composés presque entièrement d’un seul énantiomère. « Ce n'est pas la réponse définitive », a déclaré Soai à propos de son travail révolutionnaire sur la chiralité, en appelant à la cérémonie depuis le Japon. S’adressant aux générations futures, il a déclaré que « l’étude de la chiralité devrait être de plus en plus développée ».
Néanmoins, comme l’a déclaré Peter Somfai, membre du comité Nobel et chimiste à l’Université de Lund en Suède, lors de la cérémonie : « C’est probablement l’expérience la plus cool de la chimie organique. »