| Prix
Nobel de 1980 à 1984 |
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1980 : Paul Berg (1926 - ), Walter Gilbert (1932 - ) et Frederik Sanger (1918 - ) |
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1981 : Kenichi Fukui (1920 - ) et Roald Hoffmann (1937 - ) |
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1982 : Aaron Klug (1926 - ) et |
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1983 : Henry Taube (1915 - ) |
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1984 : Robert Bruce Merrifield (1921 - ) |
Pour ses études fondamentales de la biochimie des acides nucléiques, en particulier de l'ADN recombinant.
Il n'est pas surprenant que, cette fois, le prix Nobel de chimie récompense les artisans de l'extraordinaire avancée effectuée par la biologie moléculaire, tant au plan chimique que génétique et strictement biologique. On peut remarquer que de plus en plus souvent cette distinction est attribuée à des biochimistes : c'est la huitième fois que les chercheurs de cette discipline sont couronnés depuis 1958.
(New York, 1926 - )
Paul Berg est né le 30 juin 1926, dans le quartier de Brooklyn, à New York, où il effectue ses études primaires et secondaires. Il entreprend en 1943 des études de biochimie au Pennsylvania State College, qu'il achèvera en 1948, après une interruption due à la Seconde Guerre mondiale, au cours de laquelle il sert dans la Marine américaine. Il soutient son Ph. D. à l'Université du Western Reserve, puis effectue une série de stages, d'abord à l'Institut de Cytophysiologie de Copenhague; ensuite à l'Université Saint-Louis de Washington; enfin, toujours à Washington au Centre de Recherches sur le cancer. Assistant de 1955 à 1959, Berg est ensuite nommé professeur de biochimie à l'Ecole de Médecine de l'Université de Stanford, où il restera jusqu'à sa retraite.
Ses premières recherches ont porté sur l'ARN polymérase et les enzymes qui activent les acides aminés au cours de la synthèse protéique. Il a continué par l'étude du virus SV40, le consacrant comme système privilégié pour l'étude de l'expression des gènes. Parmi ses nombreux travaux, signalons la fabrication in vitro d'une génération de virus ayant subi, après coupure par des enzymes de restriction, une délétion, c'est-à-dire la perte d'un morceau de matériel génétique.
Vers les années 1960, un premier groupe de chercheurs du département de biochimie travaillait sur le bactériophage et sur ses dérivés dits "transductants", autrement dit des bactériophages porteurs de gènes bactériens isolés par des méthodes génétiques. Une deuxième équipe essayait à la même époque de construire in vitro, par manipulations biochimiques, des virus hybrides SV40-gènes bactériens. Elle choisit le gène du métabolisme du galactose chez la bactérie E. Coli. Ainsi étaient nées les idées de manipulations des gènes et du transfert de l'information génétique d'un organisme à un autre. Cette conception fut confirmée grâce aux études pionnières sur le clonage effectuées par H. Boyer et S. Cohen. Depuis lors, Paul Berg et ses collaborateurs ont réussi à fabriquer des hybrides moléculaires entre virus et gènes bactériens. Cette technique leur a permis de faire faire des protéines d'une espèce cellulaire dans une autre espèce, comme par exemple la globine du lapin synthétisée dans les cellules de singe. Les travaux de Paul Berg ont apporté une nouvelle technique d'étude des gènes : il a appris aux biochimistes à les découper, à les coller et à les recombiner. C'est incontestablement le pionnier des manipulations génétiques (1).
1. Mais il a été également l'un des premiers à en considérer les dangers : à la suite de débats assez vifs au sein de son équipe, il a appelé, avec d'autres chercheurs, à un moratoire sur ce type d'expériences. Ce moratoire a pu être levé après qu'eurent été établies des règles strictes de sécurité.
Pour leurs contributions à la détermination des séquences de base dans les acides nucléiques.
Walter Gilbert et Frederik Sanger ont découvert une méthode permettant de séquencer les acides nucléiques, en particulier l'ADN. Gilbert a utilisé une technique chimique; Sanger un procédé enzymatique. Dans les deux cas, on a abouti à des solutions contenant des molécules d'ADN de longueur croissante suivant un "pas" de l'ordre d'une base azotée. Les extrémités de ces molécules ayant été marquées sélectivement au moyen de marqueurs isotopiques, les molécules en solutions sont ensuite déposées par électrophorèse sur des gels où elles se rangent, suivant leur longueur, en bandes plus ou moins radioactives que l'on met en évidence par contact avec un film photographique.Grâce à un arrangement ad hoc, on peut alors faire une lecture instantanée du code génétique porté par des morceaux d'ADN qui peuvent atteindre plusieurs centaines de bases de longueur.
Avant ces découvertes, il fallait des années de travail achamé pour déterminer, pour un acide nucléique, une séquence de quelques dizaines de bases. Un chercheur isolé est aujourd'hui capable en moins d'une semaine de décrypter couramment une séquence à 500 bases, et l'on connaft ainsi le code complet de certains virus et celui de nombreux gènes d'organismes les plus divers. Il est devenu possible de descendre au niveau moléculaire pour interpréter les phénomènes cellulaires.
(Boston, 1932 – )
Walter Gilbert, né le 21 mars 1932 à Boston (Massachussets) est venu à la biologie après des études de chimie physique. L'année de sa naissance, sa famille s'est installée à Washington, et c'est là qu'il fait ses études au Sidwell Friends High School. Lors de sa dernière année dans cette école (1949), le jeune Walter, fasciné par la physique nucléaire, passe de longs moments à se documenter sur ce sujet en fréquentant assidûment la Bibliothèque du Congrès. Etudiant à Harvard, il se passionne alors pour la chimie physique théorique. Il part ensuite à l'Université de Cambridge, où il reste deux ans et soutient son doctorat (1957). De retour à Harvard, il devient assistant du professeur J. Schurnger, et travaille sur divers problèmes de physique théorique. L'été 1960, au cours d'une conversation, Jim Watson lui fait part de son projet de travailler en commun avec François Gros, de l'Institut Pasteur, sur l'identification de l'ARN messager (ARNm). Gilbert s'enthousiasme pour ce projet et obtient d'y participer. C'est ainsi qu'il commence sa nouvelle carrière de biologiste. Devenu professeur à Harvard, il se distingue en isolant le répresseur de l'opéron lactose, et en démontrant la théorie de l'opéron, qui avait été formulée par Jacob et Monod (prix Nobel de Médecine et Physiologie 1965) (1).
Son nouvel objectif a été alors la caractérisation biochimique des différents éléments de régulation de cet opéron. Pour cela, il a établi la séquence de la région régulatrice de l'opéron lactose, et étudié ses interactions moléculaires avec les protéines régulatrices (polymérase-protéine, répresseur-ARN). Afin de déchiffrer les mutations qui affectent cette région, il a développé une technique de séquence plus rapide que celle de Sanger. Il a trouvé des réactions chimiques capables d'interrompre spécifiquement la chaîne ADN au point A, T, G ou C. L'électrophorèse des produits de dégradation sur le "gel de polyacrylamide" mis au point par Sanger, suivie d'une autoradiographie, rend possible la lecture directe dans la séquence de l'ADN. C'est grâce à cette technique que l'étude des gènes a connu depuis quelques années un développement spectaculaire.
2. L'opéron a été décrit pour les gènes lactose chez Escherichia Coli. Dans un opéron bactérien, les gènes de structure sont responsables de la synthèse des chaînes polypeptidiques qui s'assemblent en protéines complètes. Celles-ci peuvent être des enzymes ou des protéines de structure. Dans le cas d'une enzyme, un opéron peut comprendre plusieurs gènes responsables de la synthèse d'enzymes intervenant dans la même chaîne métabolique. L'information écrite selon le code génétique de la molécule d'ADN est transcrite en une chaîne ARN messager, laquelle est traduite en une séquence d'acides aminés pour former la chaîne polypeptidique.
(Rendcombe, 1918 - )
Les indications biographiques concemant Frederik Sanger ont été fournies dans la notice sur le prix Nobel de chimie 1958. Il est en effet le seul savant à avoir été couronné à deux reprises dans cette spécialité par l'Académie Suédoise (2). La nouvelle méthode d'investigation qu'il a intnduite rend totalement démodée la manière dont il a travaillé sur les protéines dans les années 1950. La carrière de Sanger illustre bien l'évolution des connaissances en biologie. Jeune biochimiste au célèbre laboratoire de biochimie de Cambridge, il avait établi la structure primaire - ou séquence - de l'insuline, montrant en particulier que chaque protéine est constituée d'acides aminés dont le nombre et l'ordre la caractérisent. C'est aussi à Cambridge que Perutz et Kendrew (3) avaient démontré la structure tridimensionnelle d'une autre protéine, l'hémoglobine. Ces importantes découvertes suscitèrent une véritable ruée des chercheurs sur l'étude des protéines. D'un autre c6té, les trois lauréats du prix Nobel de médecine et de physiologie de 1968 avaient également fait progresser les connaissances sur ce même problème. Le premier, Robert Holley, a fortement contribué à l'établissement du code génétique, en mettant en évidence la structure de l'ARN de transfert (ARNt), élément fondamental du système traducteur de l'infonnation contenue au niveau chromosomique. Le deuxième, H. G. Khorama, a synthétisé des polynucléides en assemblant des nucléotides dans un ordre prédéterminé; il a ensuite étudié le code génétique de ces polynucléotides synthétiques, ainsi que les mécanismes traducteurs de ce code, montrant que les "codons" sont constitués de trois nucléotides. Enfin M. Nirenberg, considéré comme le précurseur de l'étude expérimentale du code génétique, grâce à l'emploi de l'ARN messager, a été conduit à démontver la structure de chaque codon pour l'ensemble des vingt acides aminés fondamentaux. Mais la méthode de Holley et de son équipe pour établir la séquence du (ARNt) était extr6mement longue et difficile. Sanger a donc cherché à la simplifier afin de la rendre plus rapide, abordable par tous et adaptée à l'étude de petites quantités d'échantillon. Son raisonnement est simple : puisque l'unité répétitive des acides nucléiques (le nucléotide = phosphate-sucre-base) contient un seul phosphate, on peut révéler chaque résidu marqué au phosphore radioactif P32 par électrophorèse ou chromatographie suivie d'une autoradiographie. C'est la simplicité de cette méthode qui a par exemple pennis d'établir les séquences des signaux d'initiation et de la synthèse protéique sur le (ARNm), ou d'élucider la séquence totale d'un virus à ARN d'E. Coli-M52.
Dès 1968, il s'est intéressé à un problème encore plus complexe : la détermination de la séquence de l'ADN qui compose les chromosomes. Cela apparaissait alors comme un pari. En effet les virus, par exemple, comportent dans leur ADN plusieurs milliers de bases de quatre types, l'adenine A, la thymine T, la guanine G et la cytosine C, ordonnées dans une longue chaihe. Contrairement à ce qu'on observe pour les ARN, aucune enzyme ne coupe la chaîne spécifiquement au niveau de l'une des bases. Sanger et ses collaborateurs ont cependant réussi à mettre au point une technique enzymatique qualifiée de "plus ou moins", qui aboutit à élucider la séquence d'un virus bactérien, le VX174, renfermant 5836 nucléotides. On connaissait ce virus depuis qu'on a réalisé sa micrographie électronique.
Cependant, de nos jours le chimiste retient en premier lieu que l'équipe de Sanger fut celle qui a réussi à "couper" les ponts disulfurepour séparer les chaîhes polypeptidiques liées par deux demi-vésidus de cystine.
Cette réaction d'oxydation extrêmement simple a su donner aux biochimistes un nouvel outil de toute nouvelle importance.
Enfin, à la surprise générale, l'équipe de Sanger a montré qu'une région unique de l'ADN peut déterminer le code pour deux ou trois protéines lues dans différentes phases.
Sans aucun doute les travaux des trois lauréats de cette année 1980 ont-ils su donner une dimension nouvelle à nos connaissances sur la vie.
2. Il n'y a que trois autres lauréats titulaires de deux prix Nobel : Marie Curie (France, physique en 1903, chimie en 1911), J. Bardeen (Etats-Unis, physique en 1956 pour l'invention du transistor, et en 1972 pour la théorie de la supraconductivité), et Linus Pauling (Etats-Unis, chimie en 1954, Prix de la Paix en 1962).
3. Voir la notice sur le prix Nobel de chimie 1962.
Pour leurs théories, développées chacune séparément, sur le cours des réactions chimiques.
(Nara , 1920 - )
De l'Université de Kyoto, est le premier chercheur japonais à avoir été récompense par l'Académie des Sciences suédoise. Né le 4 octobre 1920 à Nara, dans l'île de Honshu, il ne s'est senti attiré par la chimie que durant ses études supérieures, et c'est sur l'avis, sollicité par son père, du professeur Gen-itu-Kita, de l'Université Impériale de Kyoto, qu'il s'est engagé dans cette discipline. Diplômé en 1941, il est orienté vers le laboratoire du service des essences de l'armée; ses travaux lui valant un prix, il est alors admis comme lecteur au département des carburants de l'Université. Assistant en 1945, il sera nommé professeur six ans plus tard. Tout en continuant ses travaux expérimentaux, il crée à cette époque un sous-groupe de théoriciens. Ses recherches en chimie organique ont donné lieu à 137 publications dans des revues japonaises entre 1944 et 1972. Mais ses articles les plus intéressants ont paru en anglais dans des revues internationales; il y en a eu plus de 280, dont 200 environ portaient sur la théorie des réactions chimiques, les autres traitant de la théorie de la gellation, de la synthèse organique en présence de sels inorganiques, de la cinétique et de la catalyse des réactions de polymérisation. C'est l'année 1952 qui lui a apporté la gloire scientifique, lorsqu'il a trouvé la corrélation existant entre les orbitales frontières et la réactivité chimique des hydrocarbures aromatiques. Ce résultat a conduit son groupe de théoriciens à formuler une théorie de la réactivité, l'étendant progressivement à des composés très variés. Rappelons que, cette même année 1952, Mulliken (1) a publié son célèbre mémoire sur les complexes donneurs-accepteurs d'électrons, Fukui lui ayant apporté le support théorique qui lui faisait défaut. A partir de 1970, il s'intéresse au cheminement des réactions chimiques, visualisant le rôle des orbitales frontières en décrivant les diagrammes de leur transformation. Ce sont ces travaux qui lui ont valu le prix Nobel.
(Zloczow , 1937 - )
Roald Hoffmann est né à Zloczow,, en Pologne, le 18 juillet 1937. Les premières années de son existence ont été durement marquées parla Deuxième Guerre mondiale. Rescapés des massacres nazis, sa mère et lui quittent en 1946 la Pologne pour la Tchécoslovaquie, et se retrouvent à Bindermiche (près de Linz, en Autriche), dans un camp pour personnes déplacées; ils séjournent encore durant deux ans (de 1947 à 1949) dans deux autres camps en Allemagne, avant de partir s'installer définitivement aux Etats-Unis : l'anglais va être la sixième langue de Hoffmann. Il effectue ses études secondaires à New York.
En 1955, année où il acquiert la nationalité américaine, il entre au Columbia College, et travaille ensuite au National Bureau of Standard de Washington en collaboration avec deux grands chimistes, E. S. Neuman et R. E. Ferguson, obtenant successivement son Bachelor Degree en chimie, son Master Degree en physique (1960), et son doctorat de chimie physique (1962), sous la direction de W. Lipscomb (2). C'est d'ailleurs pour éclairer les travaux de son maître que Hoffmann a mis au point la méthode de Hückel généralisée, qui a permis de calculer approximativement la structure électronique (sigma et pi) des molécules, et de prévoir raisonnablement les conformations moléculaires. Il est ainsi devenu un grand spécialiste de la chimie théorique.
A partir de 1974, il axe ses travaux sur la chimie des composés organométalliques. Il étudie ainsi les structures des complexes de métaux de transition par la "méthode des fragments moléculaires". Cette méthode transpose en chimie organométallique le concept de substitution de la chimie organique. Chaque édifice est considéré comme formé d'un squelette de base et de fragments substituants dont les caractéristiques se retrouvent presque inchangées dans les divers complexes. Cette analyse a connu un énorme succès. Elle a conduit au concept d'analogie isoglobale, qui permet d'établir le parallélisme entre les problèmes organiques et inorganiques, et d'utiliser les résultats connus dans un domaine pour faire des prédictions de structure et de réactivité dans l'autre.
Pour donner un exemple d'analogie isoglobale, on peut retenir le cas du carbéne et du Fe(CO)4, car leurs orbitales frontière sont de même symétrie, et le nombre d'électrons les occupant est identique.
Jusqu'aux années 1980, la chimie théorique a connu de grands succès en faisant progresser la compréhension de la structure des atomes et des molécules; en revanche elle n'a connu que peu de réussites dans l'étude de leur réactivité. Cela est dû au fait que la mécanique quantique apportait de très nombreuses informations sur la réaction étudiée, qu'il y avait donc surabondance de paramètres, et qu'il fallait ordonner dans ce fatras les seuls résultats chimiquement intéressants. C'est ce qu'ont fait les deux lauréats de 1981. La réaction chimique ne fait intervenir que les électrons des orbitales atomiques (OA) externes (ou de valence); aussi peut-on négliger dans les calculs les électrons des orbitales internes, dont elle n'est pas affectée. De la même façon, il existe pour chaque molécule des orbitales moléculaires (OM) caractérisées individuellement par une énergie et une répartition spatiale déterminées. Le nombre des (OM) est égal au nombre total des (OA) de tous les atomes de la molécule. Selon le principe d'exclusion de Pauli, dans l'état fondamental les électrons sont appariés dans les (OM) en commençant par celles qui possèdent les énergies les plus basses. Cette simplification a été complétée par l'introduction de" l'approximation des orbitales frontière" de Fukui en 1952. Selon le savant japonais, lors de l'étude de la réactivité chimique, seules deux (OM) présentent un réel intérêt : la plus haute (OM) occupée (HO) et la plus basse (OM) vacante (BV). Ces deux orbitales, qualifiées de "frontière", jouent le même rôle que les orbitales de valence chimique. Ainsi la (HO) qui renferme les électrons les plus énergétiques, donc les plus faciles à céder, est en rapport avec le caractère donneur d'électrons de la molécule; la (BV) au contraire renseigne sur le caractère accepteur d'électrons de la molécule. Comme une réaction chimique n'est rien d'autre qu'un échange d'électrons entre les réactifs, on conçoit l'importance de hypothèse de Fukui, qui permet d'avoir un aperçu sur la réactivité moléculaire.
On a d'abord considéré cette hypothèse avec suspicion à cause des approximations qu'elle impliquait. Elle n'a été reconnue qu'après les travaux de Hoffmann et de Woodward (3) sur les "réactions sans mécanisme", c'est-à-dire celles dont le mécanisme échappe effectivement aux explications connues des chimistes. En effet, l'action thermique (énergétique) sur un mélange d'éthylène et de butadiène donne le cyclohexène, bien que les molécules de départ soient neutres. En revanche, dans les mêmes conditions, il n'est pas possible de réussir une cyclodimérisation de l'éthylène. Plus étrange encore, par voie photochimique (rayonnement UV), c'est la cyclodimérisation de l'éthylène qui s'effectue normalement, et la condensation de l'éthylène et du butadiène qui ne se fait plus (réaction de Diels-Alder (4) ).
Hoffmann et Woodward ont montré que ce type de "réaction sans mécanisme" n'était explicable que par la mécanique quantique. Le problème étant très complexe, ils se sont rabattus sur la méthode approchée de Fukui et sur la méthode des diagrammes de corrélation. Ces diagrammes permettent de suivre la déformation de (OM) de l'état final à l'état initial. Si cette transformation s'opère sans que les (OM) occupées ne subissent une variation d'énergie importante, la réaction se fait facilement. Le principe de la conservation de la symétrie des orbitales a ainsi permis de clarifier la réactivité des réactions de Diels- Alder, la transposition de Cop, etc.
Les règles de Hoffmann et Woodward ont trouvé une large application, car les mêmes raisonnements et les mêmes instruments (diagrammes de corrélation, orbitales frontière) ont rapidement servi à résoudre bien d'autres problèmes.
La dynamique des réactions chimiques est un secteur qui a suscité l'intérêt de nombreux chimistes dans cette seconde moitié du XXe siècle. L'Académie des Sciences de Suède couronnera à nouveau en 1986 trois chimistes qui se seront distingués dans ce domaine.
1. Voir la notice sur le prix Novel de chimie 1966.
2. Voir la notice sur le prix Novel de chimie 1976.
3. Voir la notice sur le prix Novel de chimie 1965.
4. Voir la notice sur le prix Novel de chimie 1950.
Pour sa contribution au développement de la microscopie électronique cristallographique et ses découvertes sur la structure des complexes protéines-acides nucléiques biologiquement importants.
(Zelvas, 1926 - )
Les parents d'Aaron Klug, né le 11 août 1926 à Zelvas, en Lithuanie, sont partis s'installer en 1928 en Afrique du Sud, à Durban, où résidait déjà la famille de sa mère. Il fait ses études secondaires à la Durban High School, où l'on dispensait un enseignement essentiellement littéraire. L'école possédait une excellente bibliothèque, et c'est en lisant le Microbe Hunters de Paul De Kruif, que lui vint l'idée d'étudier la médecine et la microbiologie.
Il s'inscrit en année préparatoire à l'Ecole de Médecine de l'Université Nitwatersand de Johannesburg, et y étudie, parmi d'autres matières, la biochimie et la chimie physiologique. Ayant pris conscience de l'insuffisance de ses bases, il décide alors de suivre des cours de mathématiques, de physique et de chimie, et obtient en 1945 le dip16me de Bachelor of Science. Décidé à se lancer dans la recherche en physique, il s'inscrit ensuite à l'Université de Cape Town, où il reçoit le titre de Master of Science en 1946.
C'est là qu'il a la chance de rencontrer le professeur R. W. James, cristallographe reconnu, qui a introduit en Afrique du Sud les traditions de la célèbre école de Bragg de Manchester. Klug s'initie aux techniques optiques et cristallographiques, et étudie avec passion l'ouvrage de James, The Optical Principles of the Diffraction of X-Rays. Au laboratoire, il effectue des analyses aux rayons X pour établir la structure de petites molécules organiques, calculant entre autres leurs longueurs de liaison grâce à la mécanique quantique. En 1949, il part pour Cambridge, en Angleterre, dans le fameux laboratoire Cavendish, où il prépare puis soutient, trois ans plus tard, une thèse en physique des solides. L'année suivante, il est assistant au département des sciences colloïdales, puis entreprend en 1954 sa carrière de chercheur (Nuffield Fellow, 1954-1957) au laboratoire cristallographique du Birkbeck College de Londres, où il est responsable du projet de recherche sur les virus.
C'est en travaillant chez le professeur Bemal, un pionnier dans l'étude des virus, qu'il rencontre une chercheuse pleine de talent, Rosalind Franklin. Une collaboration fructueuse s'engage entre eux pour déterminer les structures du virus de la mosaïque du tabac; elle marquera tous les travaux futurs de Klug. Mais le décès prématuré de Rosalind Franklin en 1958, à l'âge de 38 ans, conduit alors Klug à prendre la direction du groupe de recherche qu'elle avait constitué au Birkbeck College. En 1962, l'équipe va s'installer à Cambridge, dans le laboratoire Cavendish (MRC, biologie moléculaire), où se trouvaient Kendrew, Perutz (1), Crick et Brenner, tous mondialement connus. Pendant une vingtaine d'années, avec ses collaborateurs, Klug effectue des travaux de toute première importance sur les virus, et mène à bien les recherches sur les complexes protéines-acides nucléiques qui lui vaudront le prix Nobel.
A Londres, Klug avait d'abord travaillé sur l'architecture des virus. Comme nous le savons, les virus sont incapables de croître ou de se diviser. En revanche, à l'intérieur d'une cellule, ils peuvent être "recopiés" un grand nombre de fois. Klug étudie celui qui avait déjà retenu l'attention de Rosalind Franklin à cause de sa simplicité, le virus de la mosaïque du tabac. Comme les autres, il se compose d'ARN et d'une coque protéique appelée Capside, et chargée d'entourer et de protéger l'ADN dont le programme déclenche la multiplication du virus dans la cellule. Grâce aux mesures chimico-physiques, au développement de modèles mathématiques, et à la technique cristallographique de diffraction X qu'il a mise au point, Klug a pu décrire avec précision l'architecture du virus du tabac. Ce demier a la forme d'un bâtonnet de 3 millièmes de millimètre de long et de 0,18 de diamètre (cf.micrographie ci-contre), constitué par un long filament d'ARN enroulé en spirale, et protégé par une capside hélicoïdale de plus de 2000 molécules de protéines.
Une autre classe de virus, les virus sphériques, a retenu également son attention. Elle l'a conduit à travailler en coopération avec Don Caspar. En 1962, tous deux formulent une généralisation du principe de symétrie appelée "principe de quasi-équivalence", dans laquelle ils relâchent la condition d'équivalence stricte, et admettent l'intervention d'interactions énergétiques ne respectant pas les règles de symétrie. En revanche, ce concept permet de rendre compte de la structure d'objets biologiques multimoléculaires de dimensions pouvant aller jusqu'à plusieurs centaines d'Angstroms. Klug établit également les lois régissant l'autoassemblage de ces édifices à partir de leurs composants macromoléculaires. Il a en outre réussi à déterminer, par voie cristallographique, la structure d'un acide nucléique particulier, l'ARN de transfert.
Il s'est, plus récemment, intéressé à l'organisation matérielle génétique dans le noyau. Il est vrai que, depuis la découverte de la double hélice par Crick et Watson, le problème du repliement du long filament d'ADN, mesurant plus d'un mètre, dans le génome humain, à l'intérieur du noyau de quelques microns de diamètre, était resté sans solution. Klug s'attaque à ce problème. La question touche à la chromatine, substance qui constitue le noyau cellulaire : en effet, les cellules des organismes supérieurs nommées eucaryotes se caractérisent par le fait que leurs chromosomes sont inclus dans un noyau séparé du cytoplasme par une membrane. La chromatine forme un amas moléculaire qui se détache par sa couleur du cytoplasme de la cellule; elle consiste en une très longue macromolécule de la famille des acides aminés (ADN) associée à des molécules de protéines plus petites. Dans les organismes eucaryotes, l'ADN est articulé en chromosomes, et l'on doit à Klug d'avoir contribué à élucider la nature des nucléosomes qui possèdent des structures élémentaires et permettent, au sein des chromosomes, de mettre sous forme compacte de longs filaments d'ADN. Cela peut se faire grâce à des protéines spéciales, les histones, qui interagissent avec l'ADN pour former les nucléosomes. Ces demiers, de forme sphérique, donnent à la chromatine une apparence quelque peu comparable à un collier de perles.
Toutes les recherches de Klug témoignent d'un esprit mathématico-physique rigoureux, qu'il doit à sa formation initiale. Organisateur remarquable, il n'a pu mener à bien ses travaux impressionnants qu'en s'entourant de collaborateurs efficaces et en s'assurant la coopération de laboratoires étrangers. Il a notamment entretenu des contacts avec les chercheurs de l'Uinversité de Strsbourg, qui travaillaient sur les virus des plantes.
Il a reçu le titre de docteur honoris causa de plusieurs Universités, parmi lesquelles celle de Strsbourg.
1. Voir la notice sur le prix Nobel de chimie 1962.
Pour ses travaux sur les mécanismes de réactions de transfert d'électrons, notamment dans les complexes métalliques.
(Neudorf, 1915 - )
Henry Taube est né à Neudorf, au
Canada, en 1915. Après avoir accompli sa scolarité primaire et
secondaire, il s'inscrit à l'Université du Saskatchewan
(province située au centre du Canada), et obtient en 1935 les
dip16mes de Bachelor of Science, et de Master of Science (en
1937).
Il part alors aux Etats-Unis pour préparer son Ph. D. à l'Université de Berkeley (Califomie), où il travaille sous la direction du professeur W. C. Bray. Sa thèse soutenue en 1940, il exerce d'abord la fonction de préparateur à Berkeley pendant l'année universitaire 1940-1941, au cours de laquelle il décide de prendre la nationalité américaine. Il sera ensuite préparateur à l'Université Comell (1941-1946), et assistant, puis professeur, à l'Université de Chicago de 1946 à 1961. Enfin, depuis 1962, il occupe la chaire de chimie inorganique à l'Université de Stanford.
Tout au début de ses travaux, Taube s'est intéressé à la solvatation des ions. Les propriétés et la réactivité du complexe constitué de molécules de solvant qui entoure l'ion peuvent être modifiées. Ce phénomène, déjà connu, a été largement développé par Taube grâce à l'utilisation de nouvelles méthodes d'analyse, en particulier la résonance magnétique nucléaire (RMN). Il a poursuivi des recherches sur la réactivité de ces complexes en faisant varier la nature du ligand (1) et l'état d'oxydation des ions métalliques centraux. Ses résultats ont eu des conséquences extrêmement importantes, en chimie inorganique, sur les vitesses de réactions de substitution et sur les mécanismes des réactions d'oxydo-réduction.
Mais le travail qui lui a valu le prix Nobel et la célébrité conceme les réactions de transfert d'électrons dans les complexes métalliques. Taube est parti du fait que les ions positifs trivalents du cobalt et du chrome ne donnent pas de complexes d'équilibre. Les ions ou les molécules liés à ces ions métalliques leur sont étroitement unis et ne les quittent jamais. En revanche, les ions bivalents correspondants donnent des complexes d'équilibre. Si l'on observe un ion ou une molécule liés à l'ion trivalent (Co+++), on peut vérifier expérimentalement si cet ion ou cette molécule ont été, lors d'un transfert d'électrons, transportés sur l'autre ion métallique (Cr++), c'est-à-dire dans le cas présent en sens opposé à celui de l'électron. Taube en a déduit qu'il se forme, avant que le transfert d'électrons puisse s'opérer, un "pont" entre les ions métalliques à partir de l'ion ou de la molécule ayant changé de place.
Arrhénius et Wemer avaient, comme nous l'avons vu (2), étudié ce type de réactions, et leurs descriptions des entités chimiques avant et après la réaction étaient très claires. Mais c'est Taube qui a apporté la contribution la plus importante en expliquant comment la réaction entre complexes se déroule réellement (3). Il y a d'abord formation d'un supercomplexe où le chrome et le cobalt sont réunis au travers d'un pont dû à l'atome de chlore, ce qui requiert le départ d'une molécule d'eau fixée sur le chrome. Le chrome se trouve donc entouré de cinq molécules d'eau et d'un ion chlore ponté. C'est à ce stade que le transfert d'électrons du chrome vers le cobalt peut s'opérer, l'ion cobalt devenant bivalent et l'ion chrome trivalent. Le pont se rompt alors; l'ion chlore suit l'ion chrome trivalent, tandis que l'ion cobalt doit récupérer une molécule d'eau. Ces réactions de transfert d'électrons peuvent parfois être compliquées par les effets spécifiques des ligands (qui gênent ou facilitent la réaction), ou par l'effet de solvants dont les molécules entourent les partenaires de départ.
Taube a démontré ce mécanisme de transfert électronique dans un grand nombre de cas. Grâce à lui, ces réactions sont aujourd'hui bien connues. L'ensemble de ses travaux a fait l'objet d'un intéressant ouvrage paru en 1970, Electron Transfer Reactions of Complex lons in Solution, New York, Academic Press.
La suite logique de cette expérience était de lier des ions trivalents aux deux extrémités du pont et de réduire ce complexe avec un ion bivalent (l'ion europium, par exemple). Ce dernier réagit rapidement avec les ions métalliques, et Taube put ainsi suivre le transfert plus lent d'électrons à l'intérieur du complexe (par exemple du ruthénium au cobalt). Taube fit également en sorte que les ions métalliques trivalents fussent identiques de chaque c6té du pont. Il put alors étudier la réduction d'un tel complexe, et montrer que la captation de l'électron se fait sur les deux ions métalliques selon un phénomène appelé délocalisation, qui donne en général lieu à des complexes fortement colorés.
Les exemples décrits ici ont joué un r61e essentiel dans l'attribution du prix Nobel à Taube. Ils peuvent paraître assez limités : il est néanmoins devenu de plus en plus manifeste que l'oeuvre de ce chercheur a une grande portée dans des domaines aussi divers que la biologie, la géologie, la chimie et la physique. Les propriétés originales de ces composés (coloration, conductivité électrique, magnétisme, catalyse, etc.) sont liées à leur faculté de pourvoir transférer les électrons entre ions dans des états d'oxydation différents.
La compréhension des mécanismes de transfert électronique est à la base de phénomènes aussi importants que la transmis sion d'une information le long d'une chaîne biologique, la respiration ou les propriétés semi-condictrices des oxydes d'éléments de transition. Signalons enfin que Taube a été le premier à fabriquer, en solution aqueuse, un complexe entre un ion métallique trivalent du ruthénium et l'azote moléculaire, ouvrant ainsi la voie à tout un secteur de ce qu'on appelle aujourd'hui la "chimie douce". La synthèse du premier complexe à pont azote entre deux ions métalliques illustre une nouvelle fois le r61e précurseur des idées de ce savant en chimie inorganique. Aussi le Comité Nobel a-t-il pu insister sur la fécondité des travaux de Henry Taube en chimie de coordination, et sur l'influence décisive qu'il a exercée pendant une trentaine d'années dans divers domaines de la recherche.
1. Espèce chimique fixée sur l'ion central.
2. Voir les notices sur les prix Nobel de chimie 1903 et 1913.
Pour la synthèse chimique des peptides.
(Fort Worth, 1921- )
Bruce Merrifield est né le 15 juillet
1921 à Fort Worth, au Texas. Il fait ses études supérieures au
Pasadena Junior College et à l'Université de Californie de Los
Angeles. Diplômé en chimie, il travaille durant un an à la
Philip R. Park Research Foundation, où il étudie la croissance
des animaux. Mais, ayant pris conscience rapidement de
l'insuffisance de sa formation, il reprend des études de
biochimie avec le professeur M. S. Dunn, spécialiste du
développement des méthodes micmbiologiques d'analyses
quantitatives des pyrimidines. Il soutient sa thèse le 19 juin
1949. Marié le lendemain, il part le surlendemain pour rejoindre
à New York l'Institut Rockefeller de Recherches Médicales.
Assistant du Docteur D. W. Woodlez, il commence des travaux sur
un dinucléotide (facteur de croissance) et sur des peptides que
son directeur de rec,herches venait à peine de découvrir. C'est
ainsi qu'il a l'idée de préparer les peptides par une méthode
nouvelle en phase solide. Il est depuis 1984 professeur à
l'Université Rockefeller.
En 1959 débute l'aventure qui le mènera au prix Nobel de chimie. Il y a eu, avant Merrifield, nous l'avons vu, d'autres lauréats du prix Nobel à avoir travaillé sur la synthèse des peptides, le premier d'entre eux ayant été Emil Fischer (1). Mais la date marquante reste l'année 1953 où a été réussie, par Vincent du Vigneaud (2) la synthèse de l'oxytocine. La synthèse d'un peptide nécessite plusieurs étapes successives durant lesquelles s'enchaînent les différents acides animés. Opérer en milieu liquide, comme l'avait fait du Vigneaud, soulève d'énormes difficultés, car il faut à chaque étape isoler et purifier les intermédiaires de la réaction. Merrifield chercha donc à simplifier la méthode de synthèse; c'est en 1963 qu'il publie ses expériences, dévoilant la nouvelle méthode de synthèse des peptides sur support solide.
Cette méthode va rapidement dépasser le cadre de la synthèse peptidique, et avoir une portée générale en chimie organique, tout particulièrement dans la synthèse des polymères. Le grand mérite de Merrifield et de ses collaborateurs a été de réaliser un appareil automatique, programmé, qui peut avec des rendements élevés produire de façon répétitive les différentes étapes chimiques permettant l'addition de chaque aminoacide à une chaîne polypeptidique qui croît progressivement. Une séquence programmée de réactions s'effectue dans un seul réacteur, à l'aide de pompes calibrées, avec des réactifs ajoutés automatiquement à partir d'un réservoir : l'appareil tient compte des temps de réaction de chaque étape et, grâce à la "technique en phase solide", sépare les produits de la réaction des substances parasites.
La synthèse d'une chaîne peptidique (3) commence par la fixation du groupe carbonyle de l'aminoacide C-terminal de la chaîne à synthétiser sur des particules insolubles de résine, de taille suffisante pour pouvoir être séparées facilement de la phase liquide par filtration. l'aminoacide suivant, qui doit être introduit après blocage de sa fonction aminée par le chlorure de ter-butyl-oxycarbonyl, réagit avec la fonction aminée libre du résidu C-terminal en présence d'un agent de condensation, le dicyclohexylcarbodümide. Il se forme ainsi un dipeptide dont la fonction aminée est bloquée, et qui est attaché à la particule acide de la rdsine gr5ce à la fonction carboxylique C-terminale. Le groupe protégeant la fonction aminée est alors éliminé par acidification avec dégagement de gaz carbonique et d'isobutylène. Ces étapes se reproduisent un bon nombre de fois et, lorsque la chaîne peptidique est terminée, elle reste fixée à la résine insoluble. Les excès de réactifs et de produits parasites qui se sont formés sont éliminés par lavage, avec des solvants appropriés, et par filtrage, ces dernières opérations pouvant être conduites au moyen d'installations programmées. Pour finir, la chaîne peptidique est libérée de son support grâce à une réaction appropriée qui n'altère pas les liaisons peptidiques.
La simplicité des opérations et le fait que les intermédiaires n'aient pas besoin d'être isolés permettent d'obtenir des rendements élevés. Merrifield et ses collaborateurs ont décrit la synthèse d'un nonapeptide, la bradykinine, dont le rendement avoisinait les 85%. La chaîne a été synthétisée en 27 heures; la vitesse moyenne de formation d'une liaison peptidique est donc d'environ 3 heures. C'est par le même procédé qu'ont été récemment synthétisées les deux chaînes de l'insuline : il a fallu 8 jours pour la chaîne A (21 chaînons) et 11 pour la chaîne B (30 chaînons).
L'une des prouesses de l'équipe de Merrifield a été de réussir la synthèse complète d'une chaîne polypeptidique de ribonucléase bovine pancréatique (124 chaînons), première protéine de laboratoire obtenue à partir des aminoacides constitutifs, avec un rendement total de l'ordre de 18%. Afin d'arriver à ce rdsultat spectaculaire, il a fallu de patientes recherches pour choisir la résine, pour mettre au point le site d'ancrage du peptide sur le polymère, pour rechercher des systèmes doux et sélectifs de décrochage du peptide final, pour réaliser des groupes fonctionnels aptes à protéger les fonctions latérales et certains aminoacides. Toutes ces difficultés ont, pendant un certain temps, limité l'emploi de cette méthode de synthèse. Par la suite, elle a permis de préparer des milliers de peptides destinés, en pharmacologie, à la constitution physiologique d'antigènes pour produire des anticorps et des vaccins synthétiques.
C'est désormais une méthode de choix pour préparer rapidement de petites quantités (- 500 mg) de peptides ayant de 20 à 40 aminoacides. Elle a également joué un grand rôle dans les travaux de l'Américain (d'origine française) Roger Guillemin sur les hormones peptidiques pour lesquels il a obtenu le prix Nobel de médecine et physiologie en 1977.
L'industrie des polymères est également bénéficiaire des recherches de Merrifield, qui ont permis de greffer des réactifs chimiques sur les chaînes des polymères. On retrouve sa méthode utilisée en biologie à toutes les étapes de la compréhension du fonctionnement du gène. La synthèse d'un oligonucléotide rend possible en effet l'isolement et le décodage du gène, ce qui permet la synthèse de fragments de protéines inconnus jusque là. Des chaînes peptidiques extrêmement longues peuvent être synthétisées facilement, à condition de ne contenir qu'un seul type d'aminoacide : elles sont appelées homopolypeptides. Citons le polyglycocolle, la polyanaline et l'acide polyglutamique. Ces réactions évoluent selon des schémas simples, et une fois amorcées s'entretiennent d'elles-mêmes. Bien que les homopolymères d'aminoacides n'existent pas dans la nature, ils constituent un remarquable modèle pour l'étude des paramètres qui influencent la structure et le comportement des chaînes peptidiques.
1. Voir la notice sur le prix Nobel de chimie 1902.
2. Voir la notice sur le prix Nobel de chimie 1955.
3. Résidu C-terminal-résine (groupe bloquant) Aminoacide
