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[Flash Info Chimie] #23 Extraire l’uranium depuis l’eau de mer

Publié le 07/02/2014 | 8 commentaires

 

L’extraction de l’uranium actuelle est une industrie minière polluante, potentiellement dangereuse pour la santé des populations qui vivent autour. Elle est très coûteuse en énergie, ce qui rend l’énergie nucléaire gourmande en combustible fossile. Elle est aussi la source de fortes tensions géopolitiques, voire de guerres, et ceci spécialement dans les pays d’Afrique centrale. L’uranium, c’est bien sûr le combustible de base utilisé dans toute l’industrie nucléaire.

Pour que l’industrie nucléaire soit plus propre (on ne parle pas ici des dangers de l’exploitation des centrales nucléaires, de leur démantèlement, des rejets accidentels, voire des accidents majeurs qui peuvent survenir, ni de l’utilisation de cette énergie a des fins destructives. La question de la « propreté » de l’industrie nucléaire est, au minimum, un très vaste débat), il faut déjà rendre « propre » l’extraction de l’uranium.

Une des solutions envisagées réside en l’extraction de l’uranium présent dans les mers. Il y en aurait environ 1000 fois plus que dans la terre ferme ! A la concentration d’environ 3,2 µg d’uranium par litre d’eau de mer, sous forme d’ion uranyle UO22+ il n’est pas absurde d’imaginer le récupérer et l’exploiter industriellement.

Encore faut-il arriver à le récupérer. Le problème de l’eau de mer, c’est qu’elle est très riche en divers ions métalliques. Des ions sodium, magnésium, fer,… sont présents en grande quantité. Donc pour extraire les ions uranyles, il faut pouvoir les piéger de façon très sélective, pour pouvoir les séparer du reste du mélange complexe constitué par l’eau et toutes les autres espèces chimiques en présence.

L’idée, c’est d’aller à la pêche aux ions uranyles. La canne à pêche, le fil, ça, on sait faire. Le plus dur est de trouver un hameçon qui va être efficace et sélectif : on veut qu’il se fixe bien aux ions UO22+, mais pas du tout aux autres. Jusqu’à présent, les hameçons (on les appelle des « ligands » dans le jargon organométallique) qui avaient été proposés ne remplissaient pas ces deux objectifs de façon satisfaisante… Mais une équipe sino-américaine décident de s’intéresser au rôle que pourrait jouer des protéines pour piéger ces précieux ions.

Dans cet article, publié dans la revue Nature Chemistry, les chercheurs expliquent leur stratégie : plutôt que de mettre au point un ligand ex nihilo, en tenant certes compte de ceux qui existent déjà (et qui ne sont pas très efficaces), pourquoi ne pas partir de la formidable banque de donnée constituée par les milliers de protéines qui ont été étudiées et « cartographiées » par les biochimistes ?

Ils ont donc mis au point un algorithme pour sélectionner celles dont la structure est susceptible d’avoir une grande affinité pour les ions uranyles. Après plusieurs étapes de sélection, une protéine candidate a été testée, et a montré une affinité très intéressante. Les scientifiques ne se sont pas arrêtés là, et ont réussi, en effectuant quelques mutations dans la structure de la protéine, à améliorer encore les résultats.

La protéine finale obtenue, appelée SUP (Super Uranyl-Binding Protein) est stable à température ambiante, a une sélectivité 10000 fois supérieure pour l’ion uranyle que pour les autres ions métalliques présent dans l’océan, et ne perd pas son activité une fois fixée sur un support solide. Elle peut être aussi exprimée à la surface de bactéries de type E. Coli génétiquement modifiée, tout en restant efficace. 

La protéine SUP (en vert) avec au centre, l'ion uranyle (atome d'uranium en bleu, oxygènes en rouge)

La protéine SUP (en vert) avec au centre, l’ion uranyle (atome d’uranium en bleu, oxygènes en rouge)

Zoom sur les interactions entre l'ion uranyle et les acides aminés qui composent la protéine : précisément, la configuration de coordination de l'ion est une bi-pyramide à base pentagonale...

Zoom sur les interactions entre l’ion uranyle et les acides aminés qui composent la protéine SUP : précisément, la configuration de coordination de l’ion est une bi-pyramide à base pentagonale…

Pour récupérer cet ion uranyle dans la mer, le mode opératoire est relativement simple :

La "pêche" sélective aux ions uranyles...

La « pêche » sélective aux ions uranyles…

  • On introduit les SUP sur un support solide (des billes de résines par exemple) dans l’eau (On lance la ligne)
  • On mélange (on attend que le poisson morde)
  • On filtre pour récupérer les protéines sur leur support (on retire la ligne de l’eau)
  • On récupère les ions uranyle des SUP en les rinçant avec un liquide adaptée (on décroche les poissons des hameçons)
  • Et on retourne à la pêche !!

En procédant de cette façon, on peut extraire jusqu’à 60 % des ions uranyles présents dans l’eau.

Deux choses sont particulièrement à retenir dans cette étude :

  • Le travail de recherche dans les banques de données des protéines et de simulation a été particulièrement efficace pour trouver la SUP. On peut facilement penser qu’il pourra être transposé à l’extraction d’autres ions métalliques de l’eau de mer.
  • Ce procédé peut être utilisé pour extraire l’uranium de la mer, mais aussi dépolluer en uranium des cours d’eau, nappes phréatiques… contaminées lors de l’extraction minière…

 

N.B. Pour les profs de chimie : on pourrait imaginer un formidable exercice de solution aqueuse, puisque les Kd de l’ion uranyle avec les ions carbonates (principaux « concurrents » de la SUP dans l’eau de mer, et avec les protéines testées sont donnés… N’hésitez pas à me les demander en commentaire !

« A Protein engineered to bind uranyl selectively and with femtomolar affinity » L. Zhou et al., Nature Chemistry 2014, Advance Online Publication

 

 

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[Flash Info Chimie] #22 Une molécule pour « soigner » l’addiction au cannabis ? Sérieusement ?

Publié le 01/02/2014 | 7 commentaires

Voilà encore une étude sérieuse, intéressante, mais gâchée par des préjugés. La dernière fois, c’était dans la revue PNAS que des chercheurs affirmaient que le cerveau de l’homme et de la femme étaient conçus différemment par la nature. Cette fois, c’est moins retentissant, moins scandaleux sans doute. Mais cela n’empêche pas de revenir là-dessus. Une équipe, en grande partie française, prétend avoir découvert l’action d’une molécule qui permettrait de combattre les intoxications et les addictions au THC (principe actif du Cannabis Sativa, consommé le plus souvent fumé, etc… vous connaissez la musique), et a publié ses résultats dans la revue Science.

Le THC, pour rappel, c’est une molécule (chimiquement) assez sympa, dont le nom exact est Δ-9-tétrahydrocannabinol.

le Δ-9-tétrahydrocannabinol (on pourrait être plus précis encore dans le nom, mais ça suffira pour aujourd'hui)

le Δ-9-tétrahydrocannabinol (on pourrait être plus précis encore dans le nom, mais ça suffira pour aujourd’hui)

Son action psychotrope est liée à son affinité avec le récepteur CB1, ce qui signifie « récepteur à cannabinoïde type 1 ». Coïncidence ? Je ne crois pas… Comme souvent, les récepteurs, ou protéines sont nommés à l’aide de la substance qui a permit leur étude (on a par exemple : Penicillin Binding Protein (« Protéine qui se lie à la pénicilline), mais cela n’a rien à voir…). Les récepteurs CB1 se retrouvent un peu partout dans le système nerveux, mais spécialement :

  • Dans le système limbique (hippocampe, hypothalamus, amygdale, …), où les CB1 jouent un rôle important dans la régulation des émotions, ce qui explique probablement les effets euphorisants du THC. Les troubles de la mémoire causés par des abus de cannabis seraient aussi liés à leur présence dans l’hippocampe.
  • Dans le thalamus, ce qui expliquerait les modifications des perceptions sensorielles par les prises de THC.
  • Dans le cervelet, ce qui expliquerait les troubles de la motricité1

Dans cette publication, l’équipe de Monique Vallée, de l’Université de Bordeaux, a étudié le lien entre la production d’un précurseur hormonal, la pregnenolone, et le récepteur CB1. La pregnenolone est synthétisé par nos cellules à partir du cholestérol, et va ensuite être modifiée pour donner les stéroïdes (en particulier les hormones sexuelles : progestérone, testostérone, etc.)

Pregnenolone

Pregnenolone

Lorsque le récepteur CB1 est activé, par le THC par exemple, comme par l’anandamide (cannabinoïde produit par l’organisme), la production de pregnenolone augmente. En soi, c’est déjà intéressant. Mais ce n’est pas fini : Ce composé, que l’on croyait sans action aucune sur l’organisme, exerce un rétrocontrôle négatif sur les récepteurs CB1.

Les chercheurs ont en effet dans un premier temps fait consommer du THC à des rats, puis ont injecté de la pregnenolone, et étudié leur comportements. Ils ont noté une diminution notable, et statistiquement pertinente des troubles liés à la consommation de la drogue (température corporelle, sensation de faim, trouble de la mémoire,…). Ils ont aussi démontré que la pregnenolone ne vient pas se substituer aux cannabinoïdes dans les récepteurs CB1 (cela en ferait un « antagoniste orthostérique » des CB1), mais va se fixer sur une autre zone des récepteurs (c’est un antagoniste allostérique), et en diminue l’efficacité. Assurément, c’est un travail de biologie moléculaire remarquable.

Ce qui est plus gênant, c’est l’interprétation de ces résultats en terme d’intérêt pharmacologique (même si les chercheurs précisent bien que la durée de vie de la pregnenolone est trop courte pour qu’elle soit utilisée elle-même).

Tout d’abord, le titre de l’article, « Pregnenolone Can Protect the Brain from Cannabis Intoxication » indique clairement un intérêt toxicologique de la pregnenolone, contre les « intoxications au cannabis ». Or, justement, il ne semble pas qu’il puisse avoir d' »intoxication » au THC. D’après le site de ressources pédagogiques l’Université P. et M. Curie :1

L’ utilisation du cannabis n’entraîne apparemment pas de neurotoxicité, telle qu’on peut le définir par des critères neuroanatomiques, neurochimiques et comportementaux.

Sans doute que le terme « intoxication » fait référence aux symptômes liés à la prise de cannabis. Mais dans les médias, cette nuance n’a pas été retenue. Et les interviews des chercheurs co-auteurs de cette publication (voir par exemple Libération) n’ont pas été l’occasion de mises au point.

Sur la question de la lutte contre l’addiction au cannabis, il faut au préalable remettre au clair quelques données concrètes. (Et je remercie chaleureusement DrLebagage pour toutes les infos qu’il a pu m’apporter par Twitter et au téléphone)

  • Il existe des véritables dépendances au cannabis. Affirmer qu’il n’y en a pas, c’est oublier des personnes en souffrance, malades de leur consommation.
  • Comme cela a été dit plus haut, la toxicité du cannabis ne provient pas du THC, mais du tabac et des goudrons lorsqu’il est fumé.
  • Le pouvoir addictogène du cannabis est très faible. D’après le site addictovigilance.aphp.fr, le risque est de 2-3 %, là où celui du tabac est de 80 à 90 %, de l’héroïne de 70-90 %. Je n’ai pas retrouvé de définition quantitative de cette notion, mais cela donne un bon élément de comparaison entre les drogues.
  • On trouve le chiffre de 500000 personnes dépendantes du cannabis dans de nombreux articles qui parlent de cette étude. Cela paraît très exagéré. En fait, il semble que 10 % des utilisateurs réguliers soient dépendants, ce qui correspond à environ 120000 personnes.2
  • Par contre, le sujet est très sensible : entre la consommation de masse du cannabis, les inquiétudes des parents face à leurs enfants consommateurs, les idées préconçues autour de l’escalade vers d’autres drogues, ou la désocialisation des gros fumeurs… Le débat risque de rester passionnel encore longtemps.

Revenons à la pregnenolone. Son mode d’action (qui diminue les effets du THC) n’est pas forcément adapté à la lutte contre l’addiction. Le DrLebagage m’expliquait ainsi que les molécules classiquement utilisées sont des substituts : ils ont le même effet que la drogue elle-même, mais agissent « en plateau », plutôt qu' »en pic » (c’est le mode d’action des patch de nicotine, des subsituts des opiacés type Subutex par exemple). Ici, la pregnenolone diminue les sensations de la drogue. Elle n’apaise donc ni ponctuellement, ni durablement le manque. Au contraire, il me semble qu’elle entretient cette sensation malgré la prise du stupéfiant ! Son utilisation n’a très probablement aucun intérêt pour lutter contre l’addiction en tant que telle.

Par contre, elle pourrait avoir éventuellement un intérêt dans le soutien aux personnes qui ont arrêtés, mais soumis encore à l’envie de reprendre. Imaginons une personne qui a arrêté, qui ne ressent plus de symptômes de sevrage (on vient de le dire, pour ces symptômes là, la pregnenolone n’apporte rien). Tentée quelques temps après, elle fume à nouveau un joint. Mais, elle a pris son médicament (la pregnenolone) : le THC ne lui fait aucun effet. Cela lui paraît sans intérêt. Elle ne replonge pas dans une dépendance au cannabis.

Ça, c’est dans l’idéal. En pratique, plusieurs points sont à considérer :

  • Comparés aux autres drogues, le sevrage cannabique est plutôt « plus simple » : le THC se stockant dans les graisses de l’organisme, le « craving« , c’est-à-dire l’envie irrépressible de reprendre de la drogue intervient plusieurs semaines après la dernière prise. Une personne en sevrage a plus de temps pour se détacher des habitudes et du contexte social lié à cette drogue que, par exemple, pour les dérivés de la cocaïne, où le craving commence très tôt (dès la fin de l’effet de la prise pour le crack). Il est donc, en comparaison avec les autres drogues, moins « utile » d’avoir une molécule aidant à ne pas rechuter dans le cas du cannabis.
  • La prise de ce type molécule est forcément contraignante. Il faut que la personne en cours de désintoxication la prenne en continu, malgré les effets secondaires, pendant une très longue période. Sans une motivation énorme, cela n’a que très peu de chance de fonctionner. Et en cas de motivation énorme, on peut penser que l’intérêt de cette aide supplémentaire est marginale.
  • Enfin, la prise de cannabis s’insère dans un processus social. Aucune certitude ne peut être apportée actuellement sur le fait que la diminution des effets physiques du THC suffise à stopper l’envie de consommer à nouveau cette drogue.

Ces questions ne sont pas du tout abordées dans cette publication. L’étude présentée est très complète sur l’action de la pregnenolone sur les récepteurs CB1. Mais en ce qui concerne l’évaluation de cette molécule contre l’addiction, je n’ai rien trouvé de concluant. Une double expérience a cependant été menée :3

  • Des rats ont eu accès 2h/jour à du WIN55,212-2 (un analogue du THC) par simple pression du museau sur un interrupteur. A la fin de chaque session d’administration a été enregistré le nombre de pression sur l’interrupteur, devenu inactif. L’injection de pregnenolone divise par deux le nombre de ces pressions.
  • Ces même rats ont subi une autre expérience : ils devaient non plus appuyer une fois, mais 2, puis 3, puis 5, puis 12, etc. fois pour avoir leur dose de WIN55,212-2. Les chercheurs ont étudié la motivation des rats pour leur prise. L’injection de pregnenolone diminue le nombre de fois que le rat appuie avant de renoncer (de 16 pressions sans pregnenolone à 5 environ) .

Le résultat de ces expériences paraît assez logique : si le WIN55,212-2 n’a plus d’effet à cause de la pregnenolone, les rats le délaisse. Mais je ne vois pas en quoi cette double expérience permet de donner un quelconque crédit à l’idée qu’on est en présence d’un futur traitement de l’addiction au cannabis. (J’attends avec plaisir et impatience vos avis sur la question !).

Un autre élément m’a marqué : les auteurs parlent de l’intérêt potentiel de leur découverte pour combattre les addictions au cannabis dans le dernier paragraphe de leur article. Et dans tout ce paragraphe, dans lequel ils affirment par exemple que « le profil pharmacologique » de ce type de molécule est particulièrement intéressant, que les antagonistes aux récepteurs posent plus d’incomfort,… Il n’y a aucune citation d’aucune étude scientifique, aucun rapport scientifique. Rien. Cela ne signifie pour moi qu’une seule chose : il s’agit d’une opinion, libre, des auteurs. Et cette opinion n’est étayée par aucun travaux scientifiques.

Cette publication a été reprise de très nombreuses fois par les médias (suite à une dépêche AFP, par exemple par France Info, BFMTV, Le Figaro ,… et au moins 82 fois dans des médias francophone en ligne d’après news.google.fr, consulté au 31/01/14 ). Les auteurs ont donc, je l’espère, rempli leur objectif. Personnellement, je trouve ça préjudiciable à la fois pour les scientifiques, qui perdent leur crédit, et pour le public, qui n’a pas accès aux bonnes informations. 

 

N.B. Pour un autre point de vue sceptique, vous pouvez lire celui d’un infirmier addictologue (sur Le Plus du Nouvel Observateur ) 

Merci à DrLebagage pour les discussions autour des questions d’addictologie. Cet article expose mes propres opinions (que j’espère être à peu près objectives), et non, a priori, les siennes.

Update du 01/02 : Un article de mon amie Stefany Gardier, journaliste scientifique, paru dans lematin.ch va dans le même sens que mes propos :

Sources :

 

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[Flash Info Chimie] #21 Comment marquer chimiquement une protéine ?

Publié le 21/01/2014 | Un commentaire

Un article libre d’accès vient de paraitre dans la revue Chemical Biology, de l’American Chemical Society. Dedans, rien de révolutionnaire. il s’agit en fait d’un résumé magnifique de toutes les principales méthodes pour marquer une protéine par voie chimique. J’avais déjà parlé de marquage dans le Flash Info Chimie #2, qui illustrait un article sur la  « chimie clip ».

Dans le marquage d’une protéine, il faut greffer une molécule chimique (qui sera radioactive, fluorescente, etc…) à la chaîne d’acide aminé, mais sans abîmer ni la protéine, ni, éventuellement, le reste du système biologique en présence. Les réactions de « greffage » doivent donc être « biocompatibles« , (on dit aussi « Bioorthogonales ». Le poster ci-dessous représente donc les réactions classiques permettant de marquer les protéines. Bien sûr, il s’adresse à un public assez restreint, mais avoir toutes ces possibilités sous les yeux en un seul document est remarquable.

Source : blabla

( Source )

« Bioorthogonal Reactions for Labeling Proteins » K. Lang J.W. Chin, ACS Chemical Biology 2014, 9, 16-20

 

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[Flash Info Chimie] #20 Transformer les déchets agricoles en carburant

Publié le 20/01/2014 | 2 commentaires

Utiliser les ressources agricoles pour fabriquer du « bio »-carburant, ce n’est pas nouveau. Le Bio-éthanol, qui peut remplacer le diesel en est un exemple, comme le SP 95 – E10, qui est un mélange d’essence issue de pétrole et de bio-éthanol. On peut aussi remplacer le diesel par des huiles végétales, colza, tournesol, etc… Le problème, c’est que ces bio-carburants là sont complètement néfastes pour l’environnement, et pour l’alimentation humaine : il encourage des monocultures dopées aux pesticides et engrais, au détriment de cultures variées. Des zones sont déforestées pour étendre les terres arables, des cultures vivrières sont remplacées par des cannes à sucres ou des oléagineuses, pour satisfaire l’appétit né de la hausse des prix des énergies fossiles. (La notice de wikipédia « Biocarburant » est assez complète sur le sujet) Par contre, il existe une autre possibilité de réaliser des bio-carburants : c’est d’utiliser les déchets agricoles. Ce qui ne peut pas être consommé ni par l’homme, ni par les bêtes d’élevage, ni pour faire des engrais naturels. Même s’il ne s’agit pas de la panacée, c’est une solution acceptable, à petite échelle, pour la fameuse « diversification énergétique ». Ces déchets sont riches en cellulose (et hémicellulose) et en lignine. En fait, tous les végétaux sont composés en majorité de cellulose et de lignine (70 %). Le soucis, c’est que ces espèces chimiques, qui sont des bio-polymères, sont très difficiles à traiter et à transformer sous une forme exploitable. La cellulose et l’hémicellulose sont un polymère composés de longues chaînes dont les maillons sont des sucres simples (uniquement glucose pour la cellulose, et des sucres plus variés pour l’hémicellulose).

Cellulose : on voit le motif (2 molécules de glucose liées entre elles), qui se répète un très grand nombre de fois.

Cellulose : on voit le motif (2 molécules de glucose liées entre elles), qui se répète un très grand nombre de fois.

La lignine est un polymère qui a quatre unités de base, et fait donc des structures complexes, dont on peut trouver un joli exemple ci-dessous (source : wikipédia)

Un exemple de structure de la lignine. Mais il n'existe pas en réalité de structure "type", les 4 monomères se trouvant dans chaque végétaux dans des proportions différentes.

Un exemple de structure de la lignine. Mais il n’existe pas en réalité de structure « type », les 4 monomères se trouvant dans chaque végétaux dans des proportions différentes.

Ces matériaux sont donc difficiles à traiter :

  • Très peu solubles, il est difficile de les dissoudre dans l’eau, comme dans la plupart des solvants usuels en chimie.
  • Les procédés qui permettent d’avoir des composés valorisables (sucres simples ou autres) existant sont trop coûteux en énergie ou en solvants : ils sont obtenus très dilués, ou mélangés avec beaucoup d’impuretés, ou le procédé est intrinsèquement onéreux (procédé enzymatique, ou nécessitant des catalyseurs métalliques coûteux).

Dans deux publications, l’une dans le journal Angewandte, et l’autre dans Science, des chimistes proposent de nouvelles méthodes, plus efficaces, pour valoriser chimiquement ces bio-polymères. Dans la première, l’équipe de M.R. Gagné propose une nouvelle méthode pour désoxygéner les sucres, et la cellulose, sans faire intervenir les très coûteux catalyseurs à l’Iridium ou au Rhénium, ni procéder à des réactions à hautes températures, gourmandes en énergie. Les produits obtenus sont des alcanes ou alcènes de 5 ou 6 atomes de carbones, propres à être utilisés par l’industrie chimique des carburants et solvants. desoxygenation1 Le catalyseur à base de bore B(C6F5)3 permet d’obtenir en quelques heures, à température ambiante, les composés linéaires (à droite). (MP = méthylpentane). L’exemple donné est la réaction avec du glucose comme produit de départ, mais cela marche aussi avec de la cellulose (qui hélas, doit être partiellement méthylée pour augmenter sa solubilité…). Il s’agit encore d’un travail universitaire, et beaucoup d’éléments doivent être optimisés. En particulier la question de la solubilité de la cellulose dans les solvants usuels reste un des problèmes majeurs, qui doit être résolu pour le passage à des transformations à plus grandes échelles. Mais la « preuve du concept » est faite : on peut obtenir des hydrocarbures à partir de sucres simples ou complexes, y compris avec des dérivés de la cellulose, à température ambiante, sans catalyseurs métalliques.

Dans la seconde, publiée dans la prestigieuse revue Science, la mise au point du procédé industriel est plus avancé, et les coûts, contraintes ont commencé à être évalués. Il s’agit de la production efficace de sucres simples utilisant cellulose, hémicellulose, lignine. Les techniques actuelles ne sont pas véritablement intéressante d’un point de vue industriel: soit elles nécessitent des procédés non transposables à des échelles importantes (temps de réaction de quelques fractions de seconde à haute température par exemple, ou des dilutions des produits finaux trop grandes, qui nécessitent donc de grandes quantités de solvants), soit elles sont coûteuses (les auteurs mettent en particulier en avant les techniques enzymatiques, mais le prix de production des enzymes elles-mêmes risque d’être prohibitif). L’équipe de J.A. Dumesic a donc proposé un mélange de solvant (eau et γ-valerolactone, ce dernier étant aussi un produit issus de déchets agricoles), permettant de très bien solubiliser les composants lignocellulosiques, et de réaliser une hydrolyse acide efficace de ces polymères, qui permet l’obtention de sucres simples sans produits secondaires gênants, en concentration importante, dans des gammes de températures acceptables (environ 100 °C-200 °C). L’évaluation économique rudimentaire de ce procédé montre tout son intérêt comparé à ceux qui sont aujourd’hui envisagés.

Si les tentatives de valorisation chimique des déchets agricoles sont peut-être une bonne chose, je crois qu’il ne faut pas oublier qu’on ne trouvera pas dans ces procédés de quoi remplacer le pétrole : plusieurs ordres de grandeurs sépareront toujours notre consommation d’essence et la production de bio-carburants respectueux de l’écologie. D’autant plus que ces dérivés ligno-cellulosiques peuvent déjà être valorisés tels quels en étant simplement incinérés (ce qui me semble énergétiquement bien plus rentable, même si je n’ai pas creusé la question).

« Metal-Free Deoxygenation of Carbohydrates«  L.L. Aducci et al., Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, Early View

« Nonenzymatic Sugar Production from Biomass Using Biomass-Derived γ-Valerolactone » Jeremy S. Luterbacher et al. Science 2014, 343, 277-280

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[Flash Info Chimie] #19 Se méfier des remèdes naturels : la caulophylle

Publié le 14/01/2014 | 8 commentaires

Certains remèdes sont présentés comme « naturels », « végétaux » pour justifier leur innocuité, et leurs effets bénéfiques. Alors qu’ils peuvent être bien plus toxiques que les médicaments de synthèse. Ainsi, je trouve assez scandaleux que l’on puisse se procurer dans n’importe quel magasin des huiles essentielles pouvant déclencher réactions allergiques, convulsions, et autres irritations cutanées ou des voies respiratoires, sans que les vendeurs ne rappellent (ne sachent ?) les consignes de sécurité pour l’utilisation de ces produits. Ici, un article de recherche a été publié dans le Journal of Natural Products une étude in vitro montrant la toxicité du caulophylle (appelée Blue Cohosh).

 

Caulophylle (« Blue Cohosh » en anglais) (source : wikipédia)

Le rhizome du ce végétal est très largement utilisé en herboristerie pour provoquer / aider les contractions utérines lors d’un accouchement. De même, on l’utiliser pour réguler les menstruations, et même pour des avortements. D’après les statistiques données, 64 % des sages-femme états-uniennes en proposaient pour favoriser les accouchements. Le problème, c’est que le caulophylle n’est pas un remède anodin. Les effets secondaires reportés sont nombreux, depuis de « simples » crampes d’estomac, jusqu’à l’infarctus, en passant par de l’hypertension, tremblements, etc…

Dans cette étude, c’est plus précisément 3 composés issus d’extraits de caulophylle qui ont été étudiés, et comparés à la digitonine, l’espèce chimique responsable de la toxicité bien connue de la digitale.

1 Cauloside A ; 2 Saponine PE ; 3 Cauloside C

1 Cauloside A ; 2 Saponine PE ; 3 Cauloside C

Ces composés, comme la digitonine sont des surfactants : ils vont interférer avec les membranes des cellules, et en particulier les membranes des mitochondries. [ Ces organites sont les usines chimiques des cellules, permettant la synthèse de l’ATP, utilisé comme source d’énergie, à partir de l’oxygène et de sucre, suivant le procédé de la respiration ]. Cela conduit à la perméabilisation des membranes, ce qui provoque une chute de l’activité respiratoire des cellules, jusqu’à leur mort.

Au delà de la toxicité de cette plante, il s’agit pour les auteurs ici d’alerter sur l’ensemble des remèdes traditionnels : la famille de composé englobant la digitonine, et les trois composés plus haut, (la famille des saponines) est très répandue dans les végétaux. Et leurs propriétés toxiques vis-à-vis des mitochondries peuvent provoquer de très sérieux effets secondaires. Ainsi, sur 352 remèdes traditionnels testés, 46 présentaient une toxicité mitochondriale importante. Cela ne signifie pas que ces plantes ne sont pas intéressantes d’un point de vue médical, mais plutôt qu’elles ne doivent pas être utilisées à la légère.

Pour ne pas oublier que les plantes produisent quelques uns des pires poisons de la nature, vous pouvez aussi voir sur ce blog la série « Les plantes, leurs poisons« .

« Toxins in Botanical Dietary Supplements: Blue Cohosh Components Disrupt Cellular Respiration and Mitochondrial Membrane Potential«  S. Datta et al., J. Nat. Prod. 2014, ASAP

 

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[Flash Info Chimie] #18 Scandale alimentaire : les frites meilleures sur Jupiter que sur la Terre

Publié le 12/01/2014 | 4 commentaires

Certaines informations capitales, parues dans des revues scientifiques spécialisées, passent parfois inaperçues. C’est le cas, pour ce numéro spécial de « Flash Info Chimie« . Mes ami(e)s, confrères, consoeurs, camarades, l’heure est grave. Oui, un scandale gastronomique est en cours, et on nous cache tout.

Les frites fabriquées sur Jupiter seraient meilleures que les frites terriennes.

Ça m’a fait le même choc qu’à vous. Nous sommes là, sur Terre, à nous demander si les « French Fries » sont meilleures dans l’hexagone ou en Belgique, alors qu’à quelques centaines de millions de km de là, on en fait de bien meilleures (ou plutôt on en ferait, si une friteuse pouvait y être envoyée). C’est le résultat d’une étude ca-pi-ta-le publiée dans la très sérieuse revue Food Research International réalisée par Lioumbas et Karapantsios.

Revenons un peu aux bases scientifiques de la friture, pour mieux comprendre ce complot interplanétaire. Ce qui fait toute la qualité d’une bonne frite, c’est sa croûte. Dorée à point, mais surtout bien épaisse, uniforme, pour garantir tout le croustillant et la tenue de la frite. La base de toute friture bien réussite réside donc dans la réalisation d’une croûte parfaite.

Divers paramètres ont déjà été étudiés : nature de l’huile, taux d’humidité et d’amidon dans la pomme de terre, … Mais jusqu’alors, aucune forme de concurrence interplanétaire n’avait pu voir le jour. Jusqu’à ce que l’ESA, (Agence Spatiale Européenne) se penche un peu plus sur la nourriture des astronautes, qui se plaignent trop souvent de manger des ersatz déshydratés peu ragoûtant… Et qui aimeraient bien des frites pour leur remonter le moral lors des missions longues, par exemple ! (Euh, ça, c’est vrai de vrai, hein, et c’est au 2e paragraphe de la 2e page de la publication). C’est ainsi l’influence de la gravité, variant d’une planète à l’autre qui a été étudiée ici.

Soyons clair : pour les astronautes, ce qui importe, c’est de savoir si on peut avoir des bonnes frites bien croustillantes en micro-gravité : en voyage dans l’espace, en orbite autour d’une planète, la situation est bien plus proche de l’absence de gravitation, que d’une hyper-gravité, comme on pourrait le trouver sur une planète comme Jupiter. il n’empêche, on ne sait jamais. Et puis, une hyper-gravité est plus facile à simuler qu’une micro-gravité : il suffit d’utiliser une centrifugeuse ! Dans cette étude, c’est la LDC (Large Diameter Centrifuge) de l’ESA qui a été utilisée.

Les boîtes rouges contiennent les expériences. Et ici... la friteuse (source : ESA)

Les boîtes rouges contiennent les expériences. Et ici… la friteuse (source : ESA)

Avant de passer aux résultats, accablants pour notre planète, pourtant mère de toute gastronomie, on peut se demander pourquoi, mais pourquoi donc la gravité peut avoir une quelconque influence sur la friture ? La réponse se trouve au coeur des échanges de chaleur entre la frite et son huile : pour que la frite puisse cuire, et former la croûte que chacun réclame, il faut qu’elle atteigne des températures de l’ordre de 150 °C. Bref, il faut que le milieu dans lequel elle se trouve lui transfère de l’énergie thermique de la façon la plus efficace possible.

Le soucis, c’est que l’huile, en cédant son énergie à la frite, va refroidir. Celle qui se trouve à proximité immédiate du bâton de pomme de terre doit soit à son tour être réchauffée par l’huile située un peu plus loin (et ainsi de suite, ce qui correspond au phénomène de conduction thermique), soit être déplacée, et donc remplacée par de l’huile plus chaude (ce qui correspond au phénomène de convection).

Evidemment, la conduction thermique est un phénomène beaucoup plus lent, et donc beaucoup moins efficace que la convection. C’est par exemple la raison pour laquelle il y a des ventilateurs dans les ordinateurs : pour refroidir, mieux vaut renouveler l’air, plutôt qu’attendre que l’énergie thermique se diffuse peu à peu dans les milieux immobiles.

Lors de la friture, deux processus en particulier permettent une convection efficace de l’huile. Naturellement, le fluide le plus chaud est aussi le moins dense. Il va donc s’élever dans la friteuse, puis se refroidir au contact de l’air, avant de replonger vers le fond, où il va à nouveau être chauffé, etc… Une petite vidéo toute simple pour visualiser :

Regardez directement à 1min37 pour visualiser les mouvements de convection

L’autre processus qui permet les mouvements de convection lors de la friture, est liée à la formation de petites bulles de vapeur d’eau à la surface de la frite. Petites bulles qui vont ensuite se détacher pour remonter à la surface. C’est en fait ce phénomène qui provoque le plus de mouvements dans l’huile. Vous savez bien, ce moment gênant où votre friteuse (ou casserole) trop remplie d’huile déborde à cause de toutes les bulles qui se forment !! J’ai trouvé de jolis exemples chez nos amis outre-Atlantique :

J’ai ainsi appris que Thanksgiving était le jour aux accidents domestiques les plus spectaculaires au USA (quelques accidents sur cette vidéo) !

La gravité est la cause de ces deux mouvements de convection :

– L’huile chaude est moins dense, donc, à volume égal, plus légère que l’huile froide. Cette dernière subit une force d’attraction gravitationnelle (appelée Poids sur Terre) plus importante, tombe donc au fond du récipient,  pendant que la chaude remonte à la surface. En absence de gravité, que l’huile soit plus ou moins dense n’importe pas sur sa position, puisqu’elle n’est plus attirée par une planète / étoile / astre quelconque. Par contre, en hypergravité, L’écart entre le poids de l’huile chaude et l’huile froide augmente, ce qui provoque une accélération des phénomènes de convection

– L’explication pour les bulles de vapeur d’eau sont similaires : en simplifiant à l’extrême, les bulles sont soumises à leur poids, et à la poussée d’Archimède. La force résultante est verticale, vers le haut, et on peut écrire son expression :

 F = (ρhuile – ρvapeur) x Vbulle x g

Explication de texte : ρhuile est la masse volumique de l’huile (environ 920 kg/m3), et ρvapeur est celle de la vapeur d’eau (environ 0,6 kg/m3). Vbulle est le volume de la bulle, et g l’intensité de la gravité.
En cas de micro-gravité ( g proche de zéro), il n’y a plus de forces qui s’exercent sur la bulle : elle ne bougera pas, et donc ne provoquera pas de mouvement de convection de l’huile. Par contre, la force proportionnelle à l’intensité de la gravité, sera d’autant plus grande que g est grand.

Ainsi, plus la gravité est importante, plus il y a de convection, ce qui signifie des échanges thermiques plus efficaces. Les expériences menées dans la centrifugeuse de l’ESA confirment tout à fait ces résultats. Pour le même temps de cuisson, la croûte est de plus en plus épaisse lorsque la gravité augmente. Cependant, les essais à une gravité de 6 et 9 fois celle de la Terre, la croûte se sépare de la pomme de terre, à cause de grosses bulles de vapeurs qui se forment dans son coeur. Et c’est donc à une gravité proche de celle de Jupiter (3 fois celle de la Terre) que la croûte est la plus épaisse, tout en restant bien uniforme.

Frite bla bla

La croûte d’une frite (entre la ligne blanche et la ligne rouge). On voit qu’à 3 fois la gravité terrestre, la croûte a une épaisseur optimale. Au-delà, on voit une grosse cavité sous la croûte. (source)

Alors voilà. La frite produite à la surface de Jupiter est la meilleure du système solaire. Ça y est, c’est prouvé. Après que la gastronomie française, et la washoku japonaise ont été classés patrimoine mondial de l’humanité par l’UNESCO, faudra-t-il un jour élever la friture jupitérienne au rang de… Non, laissez tomber.

« Effect of increased gravitational acceleration in potato deep-fat frying » John S. Lioumbas, Thodoris D. Karapantsios, Food Research International 2014, 55, 110-118

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[Flash Info Chimie] #17 Première synthèse purement chimique de l’EPO

Publié le 15/12/2013 | 2 commentaires

Danishefsky et son équipe vient de publier la première synthèse totale de l’EPO dans le magazine Science. Au delà de la complexité du travail réalisé, il s’agit, d’un point de vue conceptuel, d’un petit bouleversement en biochimie.

L’EPO, ErythroPOïétine, est surtout connue pour être très largement utilisée par les sportifs professionnels. De façon totalement illégal, bien sûr. Naturellement sécrété par le corps, elle agit comme facteur de croissance des précurseurs des globules rouges. La prise de cette substance permet d’accroître la concentration d’hématie dans le sang, ce qui permet un meilleur transport de l’oxygène, donc des meilleures performances dans les sports d’endurance. [Accessoirement, elle augmente la viscosité du sang, provoquant hypertension artérielle, et potentiellement caillots et thromboses]

Il s’agit d’une glycoprotéine, c’est à dire une protéine (un enchaînement d’acides aminés, 165 dans la forme humaine), sur laquelle se trouve des glucides (des oligosaccharides, 4 dans la forme humaine). Oh, ce n’est pas la plus grosse protéine, mais ce n’est plus dans la catégorie des oligopeptides non plus.

Représentation schématique de l'EPO. Chaque petit cercle blanc est un acide aminé. Les petits motifs symbolisent les 4 oligosaccharides de la glycoprotéine.

Représentation schématique de l’EPO. Chaque petit cercle blanc est un acide aminé. Les petits motifs colorés symbolisent les 4 oligosaccharides de la glycoprotéine.

En fait, il n’existe pas une EPO, mais des EPO. Cette protéine est bien sûr formée d’après le code génétique contenu dans l’ADN. Les sites où sont greffés les oligosaccharides sont aussi pré-déterminés. Par contre la nature des oligosaccharides n’est pas fixe. En réalité, ce qu’on appelle EPO est un mélange, totalement inséparable, de nombreux composés qui ne diffèrent que par la nature des « sucres ».

L’industrie pharmaceutique sait produire de l’EPO : le gène identifié, il a été relativement aisé (du moins, on sait le faire) de la synthétiser à l’aide de lignée cellulaire modifiée. D’autres molécules analogues à l’EPO ont pu être produites par la même technique, comme la NESP, qui a 5 oligosaccharides au lieu de 4. Mais dans tous ces cas, comme pour l’EPO humaine, les sucres ne sont pas conservés (et ces formes d’EPO sont en fait des gros mélanges). « Bon, ça ne fait rien, l’important c’est que ça marche » aurait déclaré L. Armstrong à ce sujet. Hum… Je m’égare.

Bref. Dans cette publication Danishefsky et son équipe a réussi à produire une forme unique d’EPO, avec 4 oligosaccharides bien précis, par des réactions uniquement chimiques. Sans faire appel au génie génétique, ni à des organismes vivants.

La synthèse a consisté en l’utilisation de synthétiseurs de polypeptides, qui permettent d’assembler les acides aminés selon une séquence précise. Ces polypeptides ont été ensuite fonctionnalisés par les oligosaccharides, synthétisés à part, avant d’être reliés entre eux pour donner l’EPO.

Ce qui est remarquable ici, c’est que non seulement la molécule obtenue est pure, contrairement aux mélanges que constituent les EPO habituels, mais en plus, elle est parfaitement fonctionnelle, et stimule le développement des globules rouges comme la naturelle. Or il ne suffit pas de reproduire une séquence d’acides aminés pour que la protéine ainsi formée soit fonctionnelle : il faut qu’elle adopte la bonne structure 3D, ce à quoi servent en particulier ici les oligosaccharides. Les auteurs ont confirmé que ce but était atteint.

Cet exemple, peut-être un peu chanceux ne l’oublions pas, est le premier où la chimie surpasse le génie génétique pour produire des composés complexes du vivant. Il ne s’agit pas de mettre en concurrence ces deux disciplines. Mais cette puissance de feu de la chimie des molécules du vivant ouvre des perspectives immenses pour la compréhension des rôles biologiques que jouent les différentes protéines, leur structure 3D, mais aussi les modifications post-traductionnelles qu’elles subissent. (Post-traductionnelles : après la fabrication de la chaîne d’acides aminés pour faire simple). Et c’est d’après moi une petite révolution dans ce domaine.

« Erythopoietin Derived By Chemical Synthesis » P. Wang et al. Science 2013, 342, p 1357-60

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[Flash Info Chimie] #16 Cibler les quadruplexes de guanine

Publié le 11/12/2013 | 4 commentaires

Quand Marie-Paule Teulade-Fichou publie un article dans la revue Angewandte, cela ne se rate pas. En fait, j’aime bien M.-P. Teulade. Parce que c’est une copine à mon ancien directeur de thèse, et qu’elle a travaillé sur des molécules assez similaires à celles qui m’intéressaient à l’époque. Et aussi parce qu’elle a eu l’intelligence de remettre profondément en cause les pré-supposés scientifiques dans son domaine de spécialisation.

C’est qu’elle, et son équipe, travaille sur la mise au point de composés qui ciblent, et qui stabilisent les « quadruplexes de guanine ». Ces structures ont été découvertes in vitro, avant d’être mises en évidence in vivo récemment. Elles sont présentes à plusieurs niveaux dans l’ADN, et en particulier à ses extrémités, où l’ADN est localement « simple brin » (on n’a plus une double hélice, mais… une simple) Un petit schéma pour essayer de mieux voir :

En haut, on voit, à partir de quatre guanines (une des bases azotées de l'ADN), comment se forme les quadruplexes (appelés G4). En dessous, les différentes façons de se former de ces G4. Avec 4 brins (B), 2 brins (C), ou un seul (D et E)

En haut, on voit, à partir de quatre guanines (une des bases azotées de l’ADN), comment se forme les quadruplexes (appelés G4). En dessous, les différentes façons de se former de ces G4. Avec 4 brins (B), 2 brins (C), ou un seul (D et E)

Lorsqu’on a découvert que les G4 pouvaient se trouver à l’extrémité des chromosomes (au niveau des « télomères »), on s’est dit qu’ils pouvaient, s’ils étaient stabilisés, inhiber la télomérase, une protéine qui bloque l’horloge biologique et permet aux cellules cancéreuses d’être immortelles. Manque de pot, ça ne marche pas très fort.

Par contre, la stabilisation de ces structures présentes aussi au coeur de l’ADN peut provoquer la suppression de la traduction de deux oncogènes (impliqués dans la survenue de cancer). donc les molécules stabilisatrices ont un intérêt biomédical certain. J’avais abordé en deux billets la question des télomères, de la télomérase, et des ses inhibiteurs (et par ici pour la seconde partie)

Dans cet article, l’équipe de Teulade-Fichou a mis au point de nouveaux stabilisateurs de G4 (il en existe déjà quelques uns, voir dans mes billets cités plus haut). Leurs intérêts est d’être activés par irradiation aux UV. Vous imaginez la situation (idéalisée, bien sûr) : ces composés, inoffensifs au départ, vont partout dans le corps, dans les cellules cancéreuses comme dans toutes les autres. Mais on éclaire aux UV la tumeur : là ils deviennent hyper-agressifs, et bloquent l’ADN sous forme de G4 : les cellules tumorales meurent, et le patient… survit ! Cette technique a déjà fait ses preuves dans les laboratoires de recherche, mais j’avoue ne pas avoir fait de recherche approfondie pour savoir si cela a déjà été testé sur l’homme. (on peut trouver par exemple un brevet sur la question). Les chercheurs sont plus prudents, et parlent ici d’un outils pour la recherche en biologie, même si in vitro, l’inhibition des cellules cancéreuses (lignées MCF7 (cancer du sein) et A549 (cancer du poumon) est déjà intéressante.

Alors les voilà, ces loup-garous prêts à ce transformer en tueurs de cellules dès que la pleine lune (heu…, des UV) les éclairent :

le "XL" indique une partie variable des molécules. 6 exemples différents ont été ici publiés

le « XL » indique une partie variable des molécules. 6 exemples différents ont été ici publiés

Une dernière chose, et non des moindres : ces stabilisateurs de G4 montrent in vitro une sélectivité pour les différents quadruplexes de guanine, en fonction de leur emplacement dans l’ADN, en bout de chaîne (au niveaux des télomères) ou au milieu de l’ADN. Il s’agit là d’une première dans ce type de composés, et permettra, espèrent les auteurs, de mieux comprendre le rôle de ces structures dans l’expression, la protection de l’ADN.

« Photo-Cross-Linking Probes for Trapping G-Quadruplex DNA » D. Verga, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, Early View

 

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