Ils ont montré comment la chimie peut privilégier l'une des deux formes miroir d'une molécule et l'amplifier.
- Beaucoup de molécules existent sous deux formes, gauche et droite, images l'une de l'autre dans un miroir, et le vivant n'en utilise qu'une.
- Kagan a découvert que les paires de catalyseurs mixtes, gauche-droite, fonctionnent lentement, si bien que la forme majoritaire l'emporte plus que prévu.
- Soai a créé une molécule qui se copie elle-même, transformant un infime déséquilibre dû au hasard en un produit presque pur.
Le problème de départ
Beaucoup de molécules, comme les acides aminés, existent sous deux formes images l'une de l'autre dans un miroir, comme la main gauche et la main droite. Les êtres vivants n'utilisent qu'une seule forme, alors que les réactions ordinaires de laboratoire produisaient toujours un mélange égal des deux.
Les chimistes supposaient que la pureté du produit augmentait en ligne droite avec la pureté du catalyseur, si bien qu'un catalyseur impur ne pouvait jamais faire mieux que cette droite. En 1953, le physicien Charles Frank a décrit les mathématiques permettant de passer d'un mélange presque égal à une seule forme. Personne n'avait montré de réaction réelle qui le fasse.
Comment ça marche
Prenons la réaction de Soai. Un composé du zinc réagit avec une molécule en anneau appelée aldéhyde pyrimidinique pour former un alcool. Cet alcool existe sous une forme gauche et une forme droite, et chaque forme accélère la fabrication de sa propre forme. Selon l'une des principales explications, fondée sur l'idée de Kagan, les copies de même forme s'associent et travaillent vite, tandis que les associations mixtes gauche-droite travaillent mal et immobilisent la forme minoritaire. Une explication rivale situe la cause ailleurs, et les chimistes débattent encore pour savoir laquelle est juste.
Dans les travaux de Soai de 1995, un lot de départ avec un excès de 5 % d'une forme a donné 55 % après un cycle, 87 % après deux et environ 90 % après cinq. Lors d'un essai ultérieur, un excès de départ de seulement 0,00005 % a dépassé 99,5 % en trois cycles.
Sans aucun déséquilibre volontaire, c'est le hasard qui fait pencher la balance au départ. Sur 37 essais de ce type, une forme l'a emporté 18 fois et l'autre 19 fois.
La photocopieuse qui bloque sa rivale
Imaginez une pièce remplie de photocopieuses qui ne savent imprimer que de nouvelles photocopieuses. Les machines gauchères impriment des machines gauchères, les droitières impriment des droitières, et chaque fois qu'une gauchère et une droitière se retrouvent en paire, elles se bloquent mutuellement et s'arrêtent. Partez avec seulement une ou deux gauchères de plus que de droitières. Les blocages éliminent d'abord les droitières, et les gauchères finissent par occuper toute la pièce. L'analogie a une limite, car les molécules ne font aucun choix. La prise de contrôle vient des vitesses de réaction et du hasard, et les chimistes débattent encore de la façon exacte dont le « blocage » fonctionne à l'échelle atomique.
- C'est la première démonstration en laboratoire du modèle de Frank de 1953, qui décrit comment une chimie à une seule forme peut naître d'un mélange presque égal.
- La réaction de Soai a amplifié le rapport entre les deux formes d'un facteur 630 000, d'un excès de 0,00005 % à plus de 99,5 %.
- L'effet non linéaire de Kagan est aujourd'hui un outil important dont se servent les chimistes pour comprendre le fonctionnement d'un catalyseur et pour l'ajuster.
- L'effet a des applications pratiques. Des chimistes de Merck ont utilisé un réactif préparé à partir d'un produit de départ pur à 70 % et obtenu un produit pur à 95 % lors de la synthèse d'un candidat médicament.
- Les fabricants de médicaments, d'arômes, de parfums et de produits agrochimiques ont besoin d'une seule forme miroir, et le comité Nobel indique que ces idées guident la conception de ces réactions.
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Ils ont montré comment un infime penchant pour les molécules « gauches » peut faire boule de neige jusqu'à des molécules presque toutes gauches, ce qui ressemble à la chimie du vivant.
À un enfant
Certaines minuscules briques de construction existent en version gauche et en version droite, comme les gants. Les êtres vivants n'utilisent qu'une sorte. Ces scientifiques ont trouvé un moyen pour que les gants se copient eux-mêmes, si bien que quelques gants gauches en plus deviennent tout un tas de gants gauches.
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Beaucoup de molécules existent en version gauche et en version droite, images l'une de l'autre dans un miroir, et le vivant n'utilise qu'une version. Les réactions de laboratoire produisent normalement un mélange moitié-moitié. Henri Kagan a découvert qu'un catalyseur aux parties gauche et droite dépareillées fonctionne lentement, si bien que la version majoritaire est favorisée. Kenso Soai a ensuite conçu une molécule qui fabrique des copies d'elle-même, de sorte qu'une infime avance due au hasard se transforme en un lot presque pur.
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Vos mains sont des images miroir l'une de l'autre, comme beaucoup de molécules. Le vivant est sélectif : vos protéines n'utilisent qu'une seule des deux formes d'acide aminé. Les chimistes n'ont jamais pu expliquer comment cela se produit, car les réactions ordinaires produisent un mélange égal. Imaginez une pièce pleine de photocopieuses qui impriment des copies d'elles-mêmes, où une gauchère et une droitière se bloquent chaque fois qu'elles se retrouvent en paire. Partez avec quelques gauchères en plus, et les blocages éliminent les droitières jusqu'à ce que les gauchères occupent toute la pièce. Kagan a trouvé le mécanisme de blocage en 1986 : les catalyseurs faits de pièces gauches et droites mélangées fonctionnent lentement, si bien que la forme majoritaire l'emporte plus que prévu. Soai a trouvé le mécanisme de copie : une molécule qui accélère sa propre production. Lors d'un essai, une avance de 0,00005 % a atteint plus de 99,5 % en trois cycles. Cela prouve qu'une chimie simple peut rompre l'égalité d'elle-même. La façon dont la vie y est parvenue reste une question ouverte.
- Chiral
- Qui possède une image miroir impossible à superposer à l'original, comme une main gauche et une main droite.
- Énantiomères
- Les deux formes, images miroir l'une de l'autre, d'une molécule chirale.
- Homochiral
- Entièrement d'une seule main. Du grec « même main ». Les acides aminés et les sucres du vivant sont homochiraux.
- Mélange racémique
- Un mélange moitié-moitié des deux formes miroir, celui que produisent les réactions ordinaires.
- Excès énantiomérique (ee)
- La quantité d'une forme en plus par rapport à l'autre, exprimée en pourcentage.
- Catalyseur
- Une substance qui accélère une réaction sans être consommée.
- Autocatalyse
- Une réaction dont le produit accélère sa propre fabrication.
- Effet non linéaire
- Quand la pureté du produit n'augmente pas en ligne droite avec la pureté du catalyseur.
- Synthèse asymétrique
- Le fait de produire volontairement davantage d'une forme miroir que de l'autre.
Sources, reader versions and the quiz are on the English page.