Les systèmes du vivant — Le Cabinet des merveilles

Macro d'une feuille traversée par la lumière, les nervures translucides et les alvéoles de chlorophylle visibles.

Reconstitution numérique

La photosynthèse

le Photosynthèse — photosynthèse

Chaque feuille est une usine chimique qui prend l'eau du sol et le dioxyde de carbone de l'air, et en fait du sucre, de l'oxygène et de la biomasse. Ce faisant, elle remplit l'atmosphère d'oxygène — c'est-à-dire qu'elle rend possible la respiration, donc la vie à nous.

Dans les chloroplastes, le photosystème II capte l'énergie de la lumière et la convertit en énergie chimique: c'est le complexe d'oxydation de l'eau, un amas de manganese et de calcium (Mn4CaO5) qui arrache des électrons à l'eau. Cette séparation de charge se fait avec un rendement quantique proche de la perfection. L'électron voyage ensuite dans une chaîne de transporteurs, et l'énergie récupérée pompe des protons à travers la membrane. Quand ils reviennent, leur flux fait tourner une molécule, l'ATP synthase, qui fabrique l'ATP.

≈ 1 000 000 000 000 réactions par seconde — par photosystème II actif, dans une seule feuille
≈ 200 nm durée d'un transfert d'énergie — dix fois moins que le temps d'un battement de cœur
≈ 390 GJ par tonne de biomasse — l'équivalent de 27 000 litres de carburant
≈ 50 % de l'oxygène de l'air — produit par la photosynthèse, à chaque instant

Ce que l’homme en tire : La photosynthèse est le modèle des Religions Renewable Energy: cellules photovoltaïques, algues-carburant, biofilms. Les projets de photosynthèse artificielle de l'ESA et les fermes d'algues à spiruline sont directement inspirés du photosystème.

Le saviez-vous ?

Les arbres d'une seule forêt amazonienne rejettent chaque jour dans l'atmosphère environ sept tonnes d'oxygène — davantage que la production mondiale d'oxygène des États-Unis.

Question honnête

On entend souvent dire que la photosynthèse repose sur un « tunnel quantique » qui rendrait la plante « plus efficace que le Soleil ». La reality est plus modeste: la revue de ce mécanisme a été revue à la baisse depuis 2017, et le temps de cohérence mesuré est trop court pour qu'il contribue de façon significative au rendement. Le transfert d'énergie reste un phénomène quantique, mais pas au sens que ce slogan.

Sources : Nelson & Ben-Shahar, Nature Reviews Molecular Cell Biology 2014; pour la nuance sur la cohérence quantique: revues de physique des franchiseurs, 2017-2021

Visualisation d'une molécule- turbine microscopique, rotor central et couronne de protéines, dans un halo lumineux.

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L'ATP synthase, une turbine de dix nanomètres

F₁F₀-ATP synthase — ATP synthase

Une molécule qui tourne comme une turbine, et qui produit l'énergie utilisable de toutes les cellules du monde vivant. Sa vitesse de rotation a été mesurée: environ 350 tours par seconde.

L'enzyme est un rotor-stator. Le stator, ancré dans la membrane mitochondriale, utilise l'énergie d'un flux de protons pour faire tourner l'axe rotor; le rotor, qui prolonge en Catalyseur, fait tourner la tête F₁. À chaque tour, trois molécules d'ADP sont transformées en ATP. Le rendement dépasse 90 %. C'est le seul moteur rotary connu dans la nature.

≈ 350 tours/s rotation du rotor — plus vite que l'aiguille des secondes d'une montre
≈ 10 nm diameter du rotor — dix fois plus fin qu'un cheveu humain
3 ATP par tour — trois molécules d'énergie par rotation complète
≈ 75 t d'ATP produite par jour — à peu près le poids du corps humain

Ce que l’homme en tire : Des mini-moteurs moléculaires, des générateurs bioélectriques et des systèmes de récupération d'énergie sont inspirés de l'ATP synthase. Les projets de nanopiles à membrane utilisant des versions stabilisées de l'enzyme sont en laboratoire.

Le saviez-vous ?

Le Nobel de chimie 1997 a été attribué à Paul Boyer, John Walker et Jens Skou « pour la découverte de l'enzyme qui synthétise l'adénosine triphosphate » — la molécule elle-même, la « monnaie » de la vie.

Sources : Ueno et al., PNAS 102(37), 13770-13774, 2005; Boyer, Walker & Skou, Nobel de chimie 1997

Micrographie électronique colorisée d'un flagelle bactérien en rotation, le filament en hélice au premier plan.

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Le flagelle bactérien, un moteur à deux paliers

Escherichia coli — Escherichia coli

Le flagelle bactérien est un moteur rotatif d'une astounding hiberté: plusieurs centaines de tours par seconde, réversible en quelques millisecondes, et capable de nager en changeant de direction à la fraction de seconde.

Le flagelle est composé d'un rotor (la hampe, l'hélice flagellaire et la gaine) et d'un stator (les anneaux MotA/MotB ancrés dans la membrane). Les ions H⁺ ou Na⁺ traversent le stator et font tourner le rotor. La vitesse de rotation dépasse 100 tours par seconde pour E. coli. La bacterium peut inverser le sens du moteur en moins de dix millisecondes, ce qui lui permet de nager en zigzag.

≈ 200 tours/s rotation du flagelle — l'équivalent de 12 000 tours par minute
< 10 ms inversion du sens — plus rapide qu'un réflexe humain
≈ 20 nm diameter du rotor — vingt fois plus fin qu'un cheveu
≈ 1 mm/s vitesse de nage — un tour de piste en trois secondes

Ce que l’homme en tire : Des micro-robots et des micros propulseurs biohybrides s'appuient sur des flagelles modifiés. Des algorithmes de pilotage de drapeau eukaryotic ont aussi été utilisés pour optimiser la desducted routine.

Le saviez-vous ?

Ce n'est pas un organe: c'est une structure de seulement quelques dizaines de nanomètres, montée et démontée en quelques minutes par la bactérie elle-même.

Sources : Berg, Motor 3, University Science Books, 2005; Takahashi & Hirokawa, Cell 2014

Chauve-souris en vol dans la brume nocturne, émergeant d'une lueur de lueur.

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L'écholocation, un sens partagé

Chauves-souris, cachalots, salanganes — Chiroptera et Odontoceti

Certaines chauves-souris émettent des ultrasons et lisent les échos pour « voir » dans le noir. Les dauphins font de même sous l'eau. Et les salanganes — des oiseaux cavernicoles — ont inventé la même solution avec des cris audibles.

L'animal produit un son bref et intense, puis analyse le retour. L'oreille compare l'instant d'arrivée, l'intensité et le décalage fréquentiel. Le cerveau construit une « image » acoustique. Chez les chauves-souris, l'écho est perçu dans la région de la Surprise cortex auditif — et le flux sanguin y augmente de 500 % pendant l'émission, ce qui rend l'encodage extremely rapide.

> 1 400 espèces de chauves-souris — le groupe de mammifères le plus diversifié
10⁵ – 2×10⁶ Hz fréquence émise — bien au-dessus de la limite auditive humaine (20 000 Hz)
≈ 0, 3 ms résolution temporelle — permet de distinguer des proies séparées de quelques centimètres
500 % débit sanguin cerebral — pendant l'émission de l'appel

Ce que l’homme en tire : Cannes sonar, systèmes d'aide aux malvoyants, détection des anomalies dans les ailes d'avions, tomography par échographie. L'étude des chauves-souris a permis de mettre au point desalgorithms de navigation autonome par sonar.

Le saviez-vous ?

Des personnes aveugles ont appris à « voir » en émettant des clics et en écoutant leurs échos — c'est la « vision sonar » décrite par Thaler et al. (PLoS ONE, 2011).

Question honnête

Le sonar de l'homme est un appareil qui envoi des ondes sonores; la chauve-souris n'envoie pas d'ondes, elle émet et écoute. La différence est un commutateur de quelques millisecondes — et toute l'ingénierie est là.

Sources : Thaler et al., PLoS ONE 6(1), e15362, 2011; Hage et al., Nature Communications 2013; Fenton & Simmons, Hearing in bats

Gouttes de rosée sur une feuille, chaque goutte agissant comme une loupe inversant le paysage.

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La gestion de l'eau chez les êtres vivants

Séquoia sempervirens — Sequoiadendron giganteum

Le séquoia fait monter l'eau à plus de cent mètres de haut sans aucune pompe. Le rat-kangourou du désert ne boit jamais. Le scarabée du Namib boit la brume avec son dos. Le chameau survit à plus de dix jours sans eau.

Dans les arbres, l'évaporation à la surface des feuilles crée une tension dans le tuyau capillaire: c'est le mécanisme de cohésion-tension. Les molécules d'eau s'attirent entre elles et la colonne est tirée vers le haut, sans dépense d'énergie de la plante. Parker et Lawrence (Nature, 2001) ont montré que le ténébrion du Namib, dont le dos présente des bosses hydrophiles, capte le brouillard et le fait couler jusqu'à sa bouche. Le rat-kangourou obtient son eau du métabolisme de ses graines.

> 100 m hauteur atteinte par la sève — la hauteur d'un immeuble de trente étages
−3 000 m altitude de certains déserts — où le scarabée vit sans eau liquide
≈ 10 j sans eau pour le chameau — et il peut perdre 30 % de sa masse corporelle
≈ 99, 9 % de l'eau dans la sève — la sève est presque de l'eau pure

Ce que l’homme en tire : Pompage par osmose pour les.memories hemorrhagiques, captage de brume pour l'irrigation dans les zones arides, matériaux composites inspirés des bosses du ténébrion.

Le saviez-vous ?

Les grenouilles du désert d'Australie peuvent absorber l'eau directement à travers leur peau, etvivrent ainsi des années sans jamais boire.

Sources : Parker & Lawrence, Nature 414, 487-489, 2001; Tyree & Zimmermann, Nature 105, 1999; Comanns et al., Journal of Experimental Biology, 2015

Ver luisants dans une forêt obscure, des points de lumière verte suspendus dans l'obscurité.

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La bioluminescence

Phengodidae et Lampyridae — Lucioles et vers luisants

Des animaux produisent une lumière froide sans presque aucune chaleur. La luciole est l'un des rares organismes dont on a mesuré le rendement quantique de l'émission: environ 41 % — trois fois plus qu'une ampoule LED.

La luciférine est oxydée par la luciférase, une enzyme. L'énergie libérée excite un intermédiaire, l'oxyluciférine, qui revient à son état fondamental en émettant un photon. Tout se passe dans une nano-porque orchidée appelée luciférase. La lumière est dite « froide »: presque toute l'énergie devient photons, très peu de chaleur. Chez le calmar d'Hawaï Euprymna scolopes, la lumière produite par une bactérie symbiotique illumine le dos et efface son ombre — la contre-illumination.

≈ 41 % rendement quantique — trois fois celui d'une ampoule LED
≈ 3 000 K température de couleur — une lumière chaude ferait fondre la luciférase
≈ 3/4 des animaux pélagiques — sont bioluminescents en profondeur
0, 8 kJ/mol énergie libérée — une des réactions biologiques les plus efficaces

Ce que l’homme en tire : Marqueurs biologiques au rayonnement de faible énergie, détection des explorations de l'oxygène dans les tissus, éclairages à faible consommation, et les LED améliorees inspirées des écailles « en dents de scie » de la lanterne Photuris (Bay et al., Optics Express, 2013).

Le saviez-vous ?

La protéine fluorescente verte (GFP), extraite de la méduse Aequorea victoria, a valu le Nobel de chimie 2008: elle est aujourd'hui l'outil de visualisation le plus utilisé en biologie.

Question honnête

On entend parfois « 90 % de rendement » pour la luciole. C'est un chiffre erroné: la mesure faisant autorité est de 2008 et donne environ 41 %. Le rendement réel est excellent, mais il faut le citer correctement.

Sources : Ando et al., Nature Photonics 2, 44-46, 2008; Martini & Haddock, Scientific Reports 7, 13688, 2017; Bay et al., Optics Express 21, 27270, 2013

Double hélice d'ADN en très fort grossissement, arêtes regularly dessinées et ombrées.

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La capacité de stockage de l'ADN

Escherichia coli — Escherichia coli

L'ADN est le support de stockage le plus dense que l'on sache écrire. En théorie, un seul gramme pourrait contenir l'équivalent de 215 pétaoctets de données — mille fois plus dense que le meilleur disque dur.

L'information est encodée dans l'ordre des quatre bases, sur un polymère stable et lisible par des enzymes de lecture. En 2017, Shipman et ses collègues ont enregistré un film de quelques secondes dans le génome de bactéries E. coli, puis l'ont relu par séquençage. La densité théorique a été calculée par Erlich et Zielinski, en tenant compte de la correction d'erreur nécessaire pour que l'information survive.

≈ 215 pétaoctets par gramme — mille fois la densité du stockage magnétique
≈ 455 exabytes par gramme (théorique) — l'équivalent de 57 000 disques durs de 4 To
3 × 10⁹ paires de bases par génome humain — soit 1, 5 Go de données par cellule somatique
26 s durée du film encodé — le « plus petit film du monde »

Ce que l’homme en tire : Stockage d'archives à très long terme, preuves numériques contre la falsification, diagnosticslasses par ADN, et crypto-analyse. L'écriture ADN reste coûteuse: le suivi du génome humain coûte encore beaucoup plus cher qu'un disque.

Le saviez-vous ?

Chaque cellule somatique humaine contient environ 1, 5 Go d'ADN — l'équivalent de plusieurs disques durs — dans un noyau de six micromètres.

Sources : Erlich & Zielinski, Science 355, 950-954, 2017; Shipman et al., Nature 543, 17-22, 2017

Oiseau migrateur posé sur une branche, la tête inclinée, dans une lumière rasante dorée.

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La boussole des oiseaux

Erithacus rubecula — Erithacus rubecula

Le rouge-gorge sait organised migrer. Il ne voit pas le champ magnétique: il le perçoit directement au niveau des molécules.

Dans l'œil du rouge-gorge, la protéine cryptochrome 4 contient des paires de radicaux dont les spins s'alignent ou s'opposent sous l'effet du champ magnétique. En 2021, Xu et ses collègues (Nature) ont montré que cette protéine est plus sensible au magnétisme chez le rouge-gorge que chez des oiseaux non migrateurs, et que l'œil du rouge-gorge est compensé par un facteur de compensation de spin. D'autres hypothèses existent, notamment l'hypothèse des récepteurs magnétiques de la peau (paille et magnétite).

50 μT champ magnétique terrestre — environ dix fois celui du pôle d'un aimant de fridge
2: 1 rapport de Landauer (limite) — l'énergie minimale pour effacer un bit
≈ 200 nm taille de la cryptochrome 4 — visible au microscope électronique
13 000 km distance de migration du rouge-gorge — de l'Allemagne à l'Espagne

Ce que l’homme en tire : Navigation : la conception de capteurs magnétiques ultra-sensibles, et l'étude des mécanismes de sélection des oiseaux migrateurs.

Le saviez-vous ?

Question honnête

L'hypothèse quantique de la boussole est dominante et solidement étayée en laboratoire, mais la preuve in vivo chez l'oiseau vivant reste en attente. Le musée la présente donc comme une hypothèse forte, non comme un fait acquis. D'autres voies — notamment l'olfaction — ne sont pas exclues.

Sources : Xu et al., Nature 596, 535-540, 2021; Hore & Mouritsen, Nature Reviews Molecular Cell Biology 2016; Liedman et al., Nature Communications 2014

Vue microscopique de l'épithélium intestinal, cellules alignées en colonnes lum Operand villosités.

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Le renouvellement de l'intestin

Homo sapiens — Homo sapiens

La paroi de ton intestin est entièrement remplacée tous les trois à cinq jours. Tu n'es pas le même, chimiquement, d'une semaine à l'autre — et c'est le plus rapide de tes tissus.

Les cellules des cryptes de Lieberkühn de l'intestin grêle se divisent en permanence, montent le long de la villosité, se différencient, puis sontdetachées et dégradées. Ce renouvellement est continuous, giant — de l'ordre de 10¹¹ cellules par jour dans tout l'organisme humain, soit environ 330 milliards de cellules renouvelées chaque jour, soit 3, 8 millions par seconde. Sender et Milo ont calculé ce chiffre à partir des données de Sender, Fuchs et Milo (PLOS Biology, 2016).

≈ 330 milliards cellules renouvelées par jour — trois fois le nombre de cellules du corps
3, 8 millions cellules par seconde — une cellule neuve à chaque battement de cœur
3 à 5 jours durée de renouvellement — de l'épithélium intestinal
≈ 32 m surface intestinale dépliée — la taille d'un studio

Ce que l’homme en tire : Médecine régénérative, étude des maladies inflammatoires de l'intestin, cultures cellulaires organoïdes, et conception de matériaux biocompatibles.

Le saviez-vous ?

Si l'intestin grêle d'un adulte était déplié et posé à plat, il couvrirait la surface d'un studio d'environ 32 mètres carrés.

Sources : Sender, Fuchs & Milo, PLOS Biology 14(5), e2004291, 2016; Helander & Fändriks, Scandinavian Journal of Gastroenterology, 2014

Abeille en vol devant une ruche, rayon de lumière dessinant les contours veloutés de son corps.

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La danse de la danseuse

Apis mellifera — Apis mellifera

Une abeille qui trouve une source de nectar revient à la ruche et indique sa direction et sa distance par une danse en huit. Elle n'a jamais vu une carte.

Karl von Frisch a decode cette « danse en huit » dans les années 1920 et a reçu le Nobel de physiologie ou médecine en 1973 pour ce travail. L'abeille fait une.figure en huit dont l'angle par rapport à la verticale indique l'angle de la source par rapport au soleil, et dont la durée de la portion rectiligne indique la distance: plus la danse dure, plus la source est loin. La carte est reconstruite à partir de la position du soleil et de la position de la danse dans la ruche.

≈ 50 °C température de la ruche — conservée par le frémissement des ailes
1 km distance encodée par la danse — au-delà, l'abeille se guide à l'odeur
≈ 4 j durée de vie d'une ouvrière — pendant laquelle elle récolte environ 12 000 fleurs
3 km/h vitesse de vol de l'abeille — l'équivalent de 11 km/h en ligne droite

Ce que l’homme en tire : Robotique: des algorithmes de navigation des essaims et des robots pollinisateurs sont inspirés de la danse et du comportement de la ruche. Laavigation des drones inventoriaux en essais de swarm borrowing.

Le saviez-vous ?

La ruche regulates sa température, son humidité et son dioxyde de carbone avec une précision remarquable: elle peut même produire de la cire pour construire les rayons qui servent de réservoir de miel.

Sources : von Frisch, The Dance Language and Orientation of Bees, 1967; Seeley, The Wisdom of the Hive, 1995

Aile de papillon en très fort grossissement, structure en terrasses produisant un bleu intense.

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Les couleurs des papillons et des oiseaux

Morpho menelaus et Centropogon — Morpho menelaus

Le bleu intense de certains papillons n'est pas un pigment: c'est de la structure. Des nanostructures de kératine ordonnées comme des milliers de micro-arcs-en-ciel. Et ces couleurs ne se ternissent jamais.

Dans l'aile du morpho, l'épithélium est fait de terrasses d'épaississement de l'ordre de la longueur d'onde, espacées de 150 nanomètres. La lumière qui y pénètre interfère constructivement dans le bleu et est renvoyée par la chitine sombre. Le résultat est un bleu d'une pureté spectrale, produit par structure, non par molécule. Chez les oiseaux de Paraíso, c'est la microstructure des plumes qui produit un noir si profond qu'il absorbe 99, 5 % de la lumière.

≈ 150 nm espacement des terrasses — dans le domaine du bleu visible
99, 5 % absorption du noir des oiseaux — le noir le plus profond jamais mesuré
≈ 80 % des oiseaux ont des couleurs structurelles — l'essentiel de la coloration des oiseaux est physique
0 pigment dans le bleu du morpho — la couleur pure, sans molécule colorante

Ce que l’homme en tire : Peintures et_revêtements sans pigment, antidérapants optiques, panneaux solaires, capteurs de paysage nanoprint, télescopes à reducteur contre la lumière parasite.

Le saviez-vous ?

Un plumage d'oiseau ne pâlit pas: ses couleurs sont dues à la structure, pas à une molécule qui s'altère. Un papillon mort garde son bleu.

Sources : Vukusic & Sambles, Nature 424, 860-863, 2003; Prum et al., Nature 409, 1027-1030, 2001; McCoy et al., Nature Communications 9, 4141, 2018

Réseau cristallin atomique en trois dimensions, atomes en vibration produisant une onde de chaleur.

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Les thermalises de la chaleur

Thermus aquaticus — Thermus aquaticus

La chaleur n'est pas un fluide qui coule: elle est un mouvement. Dans un solide, les atomes transmettent l'énergie par vibration, et ces vibrations se propagent comme une onde.

Dans un solide, chaque atome oscille autour de sa position d'équilibre. L'agitation thermique de ces oscillations est quantifiée en phonons, dont l'énergie est quantifiée par la constante de Planck. Dans les métaux, les électrons-who.transportent la chaleur sont les « électrons » — leur déplacement est plus rapide que celui des phonons. Les matériaux composites récents — comme le « carbure de silicium-aluminium » des circuits de puissance — exploitent cette dualité.

≈ 500 W/m·K conductivité du cuivre — 60 fois celle du plastique
≈ 3 000 W/m·K diamant thermique — le meilleur conducteur connu
100 000 km/s vitesse du son dans l'aluminium — plus vite que dans l'air
1, 38 × 10⁻²³ constante de Planck (J·s) — la constante la plus fondamentale de la physique

Ce que l’homme en tire : Radiateurs à effet de pont de phonons, matériaux d'interface thermique, diamondes synthétiques pour la dissipation thermique, et understanding des matériaux thermoélectriques.

Le saviez-vous ?

Le « diamantsynthétique » n'est pas un cristal de smartphone: c'est l'objet le plus cher du monde, utilisé pour les fenêtres de détecteurs de particules et pour les montages de lasers à très haute puissance.

Sources : Cahill, Pohl & Watson, Physical Review B 46, 6130, 1992; Saleh et al., Science 355, 159-160, 2017

Visualisation d'une protéine repliée en structure tridimensionnelle, chaînes hélicoïdales en spirale.

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Le pliage des protéines

Protéines — proteinae

Chaque protéine de votre corps se replie dans une forme précise en quelques millisecondes — et souvent, elle ne se replie correctement qu'une seule fois sur des milliers d'essais. Le problème du pliage est l'un des plus durs de la biologie computationnelle.

La séquence d'acides aminés détermine la forme finale par les interactions de Van der Waals, les liaisons hydrogène, les interactions hydrophobes et les liaisons disulfure. Le principe de Levinthal fixe le nombre de conformations possibles à un nombre astronomique (par exemple 10¹⁴⁵ pour une protéine de 100 résidus), ce qui rend impossible une recherche exhaustive par tâtonnement. AlphaFold2 a résolu la structure de plus de 200 millions de protéines (bases de données de la Protein Structure Database).

10¹⁴⁵ conformations possibles (principe de Levinthal) — plus que les atomes de l'univers observable
> 200 millions structures prédites — AlphaFold2 et la base de données de structures
1 à 10 ms temps de pliage typique — bien plus rapide que le temps de calcul d'un supercalculateur pour un recherche exhaustive
≈ 20 acides aminés canoniques — l'alphabet dont toutes les protéines du vivant sont écrites

Ce que l’homme en tire : Découverte de médicaments par criblage de structures, conception de protéines artificielles, enzymes de l'industrie, et diagnostic des maladies à prions.

Le saviez-vous ?

Question honnête

Le problème du pliage n'est pas entièrement résolu: AlphaFold prédit la structure finale mais ne décrit pas encore le chemin suivi par la protéine pour y parvenir. Un champ de recherche ouvert et fascinant.

Sources : Jumper et al., Nature 596, 583-589, 2021; Anfinsen, Science 181, 862-864, 1973; AlphaFold Protein Structure Database

Noyau cellulaire vu en coupe, enveloppe percée de milliers de pores, chromatine fibreuse en suspension.

Reconstitution numérique

Le noyau, le centre de commande

Noyau de la cellule — nucleus

Le centre de commande de chaque cellule est contenu dans une enveloppe percée de milliers de pores, chacun assez large pour laisser passer deux molécules d'ARN messager par seconde — et assez étroit pourzier que tout le reste.

La membrane nucléaire est percée de complexes de pore, des assemblages de dozens de protéines (nucléoporines) qui fonctionnent comme des canaux sélectifs. Chaque complexe permet un transport passif de cargos de quelques kDa, et un transport actif médié par les protéines d'importation et d'exportation. Un noyau humain contient environ 100 000 000 de nucléoporines — une densité qui dépasse celle de n'importe quel matériau artificiel connu.

≈ 4 000 pores de l'enveloppe nucléaire — sur une cellule de 10 micromètres
≈ 30 nm diameter du canal central — un dixième du diamètre d'un virus
10 000 nucléoporines par pore — un assemblage moléculaire géant
≈ 2 m d'ADN à protéger — dans un volume de 6 micromètres cubes

Ce que l’homme en tire : Médecine nucléaire: livraison de médicaments au noyau pour traiter le cancer; matériaux poreux inspirés; étude des maladies virales (le virus entre par les pores).

Le saviez-vous ?

Le noyau est l'un des plus gros organites de la cellule: dans un œuf de mouche, il occupe le dixième du volume total.

Sources : Bilsborrow & Zentner, Nature Reviews Molecular Cell Biology 25, 2024; Wagner & RS, Journal of Cell Biology 2016

Lymphocytes en circulation autour d'une cellule infectieuse, arms de la sonde de capture virale.

Reconstitution numérique

L'adaptativité du système immunitaire

Lymphocytes B et T — lymphocyti

Votre système immunitaire apprend. Il encounter un pathogène inconnu, fabrique en quelques jours une réponse ciblée, et s'en souvient pendant des décennies.

Les lymphocytes B produisent des anticorps par hypermutation somatique: le gène de l'anticorps est modifié au hasard, et les variantes qui lient mieux l'antigène sont sélectionnées. C'est le principe de la sélection clonale. Les lymphocytes T cytotoxiques tuent les cellules infectées en reconnaissant des fragments d'antigène présentés à la surface. Le système fonctionne aussi bien contre un virus que contre un bacterium, sans instruction préalable.

10⁶ – 10¹¹ anticorps différents possibles — un nombre supérieur au nombre d'étoiles dans l'univers observable
≈ 3 jours pour une réponse primaire — puis des années de mémoire immunitaire
≈ 10¹² cellules immunitaires chez l'adulte — presque autant que les cellules du corps
≈ 1 000 mutations par seconde dans une cellule B — chaque jour, dans chaque lymphocyte activé

Ce que l’homme en tire : Vaccins à ARN messager, anticorps monoclonaux, immunothérapie des cancers, ingénierie des protéines, et la lutte contre les maladies auto-immunes.

Le saviez-vous ?

C'est l'invention de l'ARN messager par Katalin Karikó et Drew Weissman, récompensée par le Nobel de médecine 2023, qui a rendu possible la production des vaccins à ARNm — une d'un siècle de recherche sur le noyau des cellules.

Sources : Burnet, Nobel de médecine 1960; Medzhitov, Nature 2008; Karikó & Weissman, Nobel de médecine 2023

Plaie de peau en voie de guérison vue au microscope, fibroblasts tirant des ponts de collagène.

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La cicatrisation, en quatre temps

Homo sapiens — Homo sapiens

Une coupure de dix centimètres se referme en quelques semaines sans couture et sans deixando de trace fonctionnelle. Le tissu reconstruit n'est pas celui d'origine, mais il fait le même travail.

Quatre phases se chevauchent: l'hemostase (vasoconstriction, puis formation du caillot par les plaquettes et la fibrine), l'inflammation (arrivée des neutrophiles puis des macrophages, qui nettoient et libèrent des signaux de réparation), la prolifération (fibroblastes qui produisent du collagène, angiogenèse qui forme de nouveaux vaisseaux, migration des kératinocytes qui referment la plaie), et le remodelage (réorganisation du collagène en réseau, enrichissement en collagène de type III puis remplacement par du type I).

≈ 30 min durée de l'hémostase — le caillot se forme en quelques minutes
10 – 14 j pour fermer la plaie — avec un taux de prolifération cellulaire très élevé
≈ 1 mm/jour croissance de l'épiderme — la peau se referme de proche en proche
≈ 20 % de la cicatrice sans contraction — la contraction est due aux myofibroblastes

Ce que l’homme en tire : Pansements actifs et matrices de regeneración, ingénierie des tissus, traitement des brûlures, conception d'adhésifs biologiques (dont les « » de la colle de balane).

Le saviez-vous ?

Le fœtus se répare sans laisse de cicatrice: sa peau se reconstitue par un mécanisme de regeneration ment différent de celui de l'adulte. Comprendre ce basculement est un objectif majeur de la médecine régénérative.

Sources : Eming, Martin & Tomic-Canic, Science 2014; Gurtner et al., Nature 2023 (reprogramming cellulaire)