Sciences

La chimie ne se résume pas à des éprouvettes et à des réactions chimiques ; elle concerne aussi les matériaux qui composent notre monde. Aujourd’hui, les scientifiques créent des substances aux propriétés incroyables : auto-réparatrices, luminescentes, ultra-légères et intelligentes. Ces matériaux transforment les transports, la médecine, la construction et même la mode.

Le graphène est l’un des matériaux les plus célèbres du XXIe siècle. C’est une couche de carbone monoatomique, 200 fois plus résistante que l’acier, flexible, transparente et un excellent conducteur de chaleur et d’électricité. Il est utilisé dans les batteries (charge rapide), les capteurs, les filtres à eau et même les interfaces neuronales. Sa découverte lui a valu le prix Nobel de physique 2010.

Les métamatériaux sont des structures artificielles qui se comportent différemment des substances naturelles. Par exemple, ils peuvent courber la lumière autour d’un objet, créant un effet d’« invisibilité ». D’autres métamatériaux absorbent le son ou les vibrations, ce qui est utile pour les bâtiments situés dans des zones sismiques. Les polymères auto-réparateurs sont un rêve pour les ingénieurs. Ces matériaux contiennent des microcapsules contenant de la « colle » qui éclatent lorsqu’elles sont endommagées et comblent la fissure. Ils sont déjà utilisés dans les revêtements pour voitures, ailes d’avion et même l’électronique. À l’avenir, les téléphones pourront se réparer eux-mêmes.
Les tissus intelligents constituent un autre domaine de recherche. Des fibres intégrant des capteurs surveillent le rythme cardiaque, la température et la transpiration. Certains tissus changent de couleur lorsqu’ils sont exposés à la lumière ou à la chaleur, ou génèrent de l’électricité par le mouvement. C’est une révolution pour le sport, la médecine et l’industrie militaire.

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Il y a seulement vingt ans, les bactéries étaient considérées comme des ennemis à éradiquer. Aujourd’hui, la science sait que les humains ne sont pas de simples organismes isolés, mais des écosystèmes entiers. Notre corps abrite environ 39 000 milliards de microbes – bactéries, virus et champignons –, plus nombreux que nos propres cellules. Ce microbiome joue un rôle clé dans la digestion, l’immunité, l’humeur et même le comportement.
L’intestin est le principal foyer du microbiome. Il abrite des milliers d’espèces bactériennes qui contribuent à la dégradation des fibres, à la synthèse des vitamines (K, B12), au développement du système immunitaire et à la protection contre les agents pathogènes. Un déséquilibre (dysbiose) est lié à l’obésité, au diabète, à l’autisme, à la dépression et même à la maladie de Parkinson.
Le Projet Microbiome Humain (2007-2016) a cartographié pour la première fois le microbiome d’un être humain en bonne santé. Il s’avère que chacun de nous possède une « empreinte microbienne » unique, formée dès la naissance et influencée par la génétique, l’alimentation, le lieu de résidence et même les animaux de compagnie.
L’alimentation est le principal régulateur du microbiome. Les fibres des légumes et des céréales complètes nourrissent les bactéries bénéfiques (prébiotiques). Les aliments fermentés (kéfir, choucroute, kimchi) contiennent des cultures vivantes (probiotiques). À l’inverse, le sucre, les graisses et les antibiotiques détruisent la diversité microbienne, provoquant inflammation et maladies chroniques.

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L’industrie chimique traditionnelle a longtemps été associée aux déchets toxiques, aux émissions et à la pollution. Cependant, depuis les années 1990, le mouvement de la « chimie verte » a pris de l’ampleur : cette approche vise à concevoir des procédés et des produits chimiques sûrs pour l’homme et l’environnement. Aujourd’hui, il ne s’agit plus d’une idée de niche, mais d’une norme mondiale.
Les fondements de la chimie verte ont été formulés par Paul Anastas en 1998 en 12 principes. Ceux-ci incluent la prévention des déchets plutôt que leur élimination, l’utilisation de matières premières renouvelables, l’efficacité énergétique, la sécurité des réactifs et des produits, et la conception de substances facilement biodégradables.
Un exemple frappant est le remplacement des solvants toxiques. Au lieu du benzène ou du chloroforme, les scientifiques utilisent de l’eau, du dioxyde de carbone supercritique ou des liquides ioniques. Par exemple, le CO₂ sous pression est désormais utilisé dans la production de caféine pour boissons : il est sûr, efficace et ne laisse aucun résidu.
Dans l’industrie pharmaceutique, la chimie verte réduit le nombre d’étapes de la synthèse des médicaments. Auparavant, la production d’un seul médicament nécessitait 10 à 15 réactions, avec de faibles rendements et des déchets importants. Aujourd’hui, grâce aux catalyseurs et à de nouvelles méthodes (comme la photochimie), le processus peut être réduit à 3 ou 4 étapes, réduisant ainsi les coûts et l’empreinte environnementale.

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La biologie synthétique est l’un des domaines les plus ambitieux de la science moderne. Son objectif ne se limite pas à étudier les organismes vivants, mais à les concevoir et à les créer de toutes pièces, comme des ingénieurs créent des machines. Cette discipline combine biologie, chimie, informatique et ingénierie pour réécrire les règles du vivant.
La première avancée majeure a eu lieu en 2010, lorsque l’équipe de Craig Venter a créé la première cellule au monde dotée d’un génome synthétique. Les scientifiques ont synthétisé l’ADN de la bactérie Mycoplasma mycoides dans un tube à essai, l’ont inséré dans la cellule d’une autre bactérie, et cette dernière a pris vie, se reproduisant sous le contrôle du génome artificiel. Cet organisme a été baptisé Mycoplasma laboratorium, ou « Synthia ».

Depuis lors, la biologie synthétique a fait d’énormes progrès. Aujourd’hui, les scientifiques peuvent concevoir des gènes sur ordinateur, les imprimer sur des imprimantes à ADN et les insérer dans des micro-organismes, les transformant ainsi en « bio-usines ». Ces cellules produisent des biocarburants, des médicaments, des plastiques et même des arômes, autant de procédés plus respectueux de l’environnement et moins coûteux que la synthèse chimique.
L’une des réalisations les plus impressionnantes a été la création de levures synthétiques. Dans le cadre du projet international « Sc2.0 », des scientifiques de dix pays ont remodelé les 16 chromosomes de la levure Saccharomyces cerevisiae, en supprimant l’ADN « poubelle » et en ajoutant des « interrupteurs » pour contrôler les gènes. En 2023, l’assemblage d’un génome synthétique complet a été achevé : il s’agissait du premier eucaryote doté d’un génome artificiel.
La biologie synthétique nous aide également à comprendre la vie. En créant un génome minimal (uniquement les gènes sans lesquels une cellule ne peut survivre), les scientifiques ont découvert que même les bactéries les plus simples possèdent environ 473 gènes essentiels à la vie. Cependant, la fonction de 30 % de ces gènes reste inconnue, ce qui démontre l’ampleur de nos incertitudes.

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En 2012, le monde scientifique a été stupéfait par la découverte de la technologie CRISPR-Cas9, une méthode d’édition génomique simple, précise et peu coûteuse. Inspiré des bactéries, ce système permet aux scientifiques de couper et coller des sections d’ADN avec une précision incroyable. CRISPR a révolutionné la biologie, la médecine et l’agriculture, ouvrant la voie au traitement des maladies génétiques, à la création de cultures résistantes et même au rajeunissement cellulaire.
Le mécanisme CRISPR repose sur le système immunitaire naturel des bactéries. Lorsqu’un virus attaque une bactérie, il « mémorise » un fragment de son ADN et l’intègre à son propre génome. Lors d’une attaque ultérieure, la bactérie utilise cette « archive » pour synthétiser un ARN guide, qui dirige l’enzyme Cas9 vers l’ADN viral et le coupe. Les scientifiques ont adapté ce système pour qu’il fonctionne avec n’importe quel gène, y compris ceux des humains. L’une des applications les plus prometteuses de CRISPR est le traitement des maladies héréditaires. Des essais cliniques sont déjà en cours pour la drépanocytose, la bêta-thalassémie et certaines formes de cécité. En 2023, le Royaume-Uni a approuvé le premier médicament au monde basé sur CRISPR, Casgevy, pour le traitement de ces maladies sanguines. Les résultats montrent que la plupart des patients bénéficient d’une disparition complète des symptômes.
Cependant, cette technologie n’est pas sans risques. La principale préoccupation concerne les « effets hors cible », lorsque Cas9 coupe la mauvaise section d’ADN. Cela peut entraîner des mutations, des cancers ou d’autres conséquences imprévisibles. Les versions modernes du système (par exemple, CRISPR-Cas12 ou « édition de base ») réduisent considérablement ces risques, mais il n’existe toujours aucune garantie.

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