La physique et le vivant: Des rayons X au microscope électronique :
Au début du XXe siècle, l’instrument le plus utile à la biologie était sans doute le microscope optique. On avait observé le noyau cellulaire depuis une trentaine d’années et l’on prenait juste conscience du fait que ce noyau contenait le patrimoine héréditaire, les gènes, sans savoir de quoi ils étaient faits. Grâce au microscope polarisant, on connaissait aussi l’existence du cytosquelette. Bien sûr, le microscope optique était utilisé en médecine pour identifier les bactéries et les parasites, et pour étudier les tissus. La toute première observation d’un extrait de salive des siècles plus tôt n’avait-elle pas révélé un micro-organisme vivant que l’on sait maintenant être le tréponème pâle ? Au rythme impressionnant d’une découverte instrumentale majeure à peu près tous les quinze ans pendant tout le XXe siècle, les physiciens ont permis un accroissement considérable des connaissances et des concepts en biologie.
Dès leur découverte par Rôntgen à la fin du XIXe siècle, les rayons X furent utilisés pour voir des détails anatomiques internes d’individus vivants, pour la première fois dans l’histoire de l’humanité. La radiographie était déjà complètement opérationnelle sur les champs de bataille de la Première Guerre mondiale. Très rapidement aussi les effets thérapeutiques des rayonnements furent observés : Marie Curie provoqua la nécrose d’une tumeur superficielle en la mettant au contact d’une source radioactive, fondant ainsi la radiothérapie. À l’époque, les vertus des rayonnements gamma – qui ne sont que des rayons X très énergétiques- étaient largement surestimées et leurs dangers ignorés. De nos jours, leur utilisation est bien maîtrisée et d’application courante dans la lutte contre le cancer.
La diffraction des rayons X par les cristaux, découverte au début du XXe siècle, fut rapidement appliquée à l’étude des protéines. Il fallut cependant attendre les améliorations techniques de l’après-Seconde Guerre mondiale pour enregistrer les succès les plus spectaculaires. Porteurs du savoir acquis par l’école anglaise fondée par les Bragg père et fils, Wilkins, Crick et Watson percent au début des années 1950 le mystère du code génétique, par une analyse brillante de la double hélice de l’acide désoxyribonucléique (ADN). Confirmant des conjectures datant des années 1930, on apprend que le code génétique est écrit suivant une structure essentiellement linéaire, succession de quatre bases appariées deux à deux sur une double hélice. En quelques années, les étapes essentielles de la réplication de l’ADN sont identifiées! Cet immense succès suscite un développement sans précédent de la cristallographie à vocation biologique appelée dorénavant « biologie structurale ». La structure des protéines solubles est à l’heure actuelle déterminée couramment à la précision de 0,1 nanomètre, taille des atomes. Pour ne donner qu’un exemple, la structure de la FI ATP- svnthase ressemblait tellement à un moteur rotatif (avec stator et rotor!) que les « structuralistes » avaient tout naturellement émis l’hvpothèse que la synthèse d’ATP impliquait la rotation de ce « moteur ». Cette hypothèse a été vérifiée récemment.
Lors de ses expériences célèbres en rade de Toulon (1915), Langevin avait inventé le sonar, un instrument qui utilise l’écho d’ondes ultrasonores pour localiser des corps immergés. Les applications médicales de cette découverte, pour une fois, se firent attendre. Lechographie médicale, qui nous est familière, ne se développe que dans les années 1970 et la lithotriptie, qui consiste à fragmenter les calculs par focalisation d’ultrasons intenses, dans les années 1980. De nos jours, l’utilisation de techniques fondées sur l’invariance de la propagation du son par renversement du temps permet une focalisation sélective sur les calculs et une destruction extrêmement précise (à mieux que le millimètre). L’extension de ces techniques à des milieux faiblement absorbants permet de provoquer des échauffements dans des zones très précises du cerveau et de provoquer la nécrose de tumeurs difficilement accessibles par d’autres moyens.
Dans les années 1920, Louis de Broglie introduisit la notion de dualité entre ondes et particules. Dix années après la soutenance de sa thèse, le microscope électronique, dont le concept est fondé sur cette dualité, commençait déjà à obtenir des images de résolution supérieure à celle des microscopes optiques. Treize ans plus tard, les premières images biologiques furent obtenues! Cependant, il fallut attendre la fin de la Seconde Guerre mondiale pour que l’utilisation du microscope électronique révolutionne la biologie cellulaire. L’observation des organelles a révélé une structure complexe avec de nombreux compartiments : la cellule n’est plus un simple sac, siège de réactions chimiques complexes. Aujourd’hui, la microscopie électronique est un outil indispensable de la biologie, pour déterminer aussi bien la structure des protéines membranaires à des résolutions de l’ordre de l’angstrôm que les agencements complexes des mésostructures de l’appareil de Golgi ou du centrosome. Des analyses fondées sur les « réseaux de neurones » permettent l’identification des changements de forme des complexes protéiques au cours de leur fonctionnement. La plus grande limitation de la microscopie électronique – opérer sous un vide poussé incompatible avec les objets vivants – commence à être dépassée : l’utilisation de films polymères très fins permet de faire des images de cellules fonctionnelles dans un milieu physiologique ! Ainsi, quotidiennement des milliers de personnes utilisent dans le monde la dualité onde-particule sans même y penser !
A peu près contemporaine des premières images biologiques au microscope électronique, vers 1937, une technique d’analyse très élégante permit, pour la première fois, de séparer les protéines sanguines : l’électrophorèse « aux frontières mouvantes », encore appelée « isotachophorèse ». Par cette technique, une différence de potentiel appliquée sur un mélange ionique provoque la séparation des ions en mouvement ! Il s’agit en fait d’un beau problème de physique non linéaire compris plusieurs décennies plus tôt. Aujourd’hui, 1 electrophorèse est un outil de base de la biologie et de la médecine. La lecture du code génomique doit beaucoup à l’utilisation massive de l’électrophorèse. Spectroscopie de masse, centrifugation et sédimentation eurent une évolution et une importance tout à fait semblables.