Le recyclage : composante de l’économie circulaire. La transition écologique est une évolution vers un nouveau modèle économique et social qui apporte une solution globale et pérenne aux grands enjeux environnementaux de notre siècle et aux menaces qui pèsent sur notre planète. Opérant à tous les niveaux, elle vise à mettre en place un modèle de développement résilient et durable qui repense nos façons de consommer, de produire, de travailler et de vivre ensemble.

Ceci étant, en session de clôture du colloque Chimie et Matériaux Stratégiques qui a eu lieu le 09/11/22, Philippe Varin, Président du World Materials Forum depuis 1995, donne quelques chiffres clés sur les enjeux de la transition écologique. En voici quelques-uns :

• actuellement, une personne consomme, en moyenne, 20 tonnes de matériaux par an ;
• un véhicule électrique nécessite six fois plus de matériaux qu’un véhicule thermique ;
• il en est de même pour un kilowatt-heure (kWh) éolien par rapport à un kilowatt-heure produit avec des centrales électriques au gaz ;
• la demande en ressources minières (lithium, nickel, cobalt, etc.) sera aussi en très forte augmentation dans les années qui viennent…

Pour faire face à ce constat et aux changements à opérer, il va de soi qu’il est nécessaire de réfléchir à une éco-conception (ou éco-design) visant à repenser, dès leur conception, toutes les étapes du cycle de vie du produit d’une manière plus responsable et durable. La chimie est bien entendu très sollicitée pour y parvenir.

Dans ce dossier, après avoir défini les contours de l’économie circulaire, nous aborderons quelques exemples du quotidien permettant de souligner le rôle de la chimie dans ce domaine.

Comment le recyclage en chimie contribue-t-il à l’économie circulaire ?

 

Problématique :

• Les chimistes au coeur de l’économie circulaire
• De l’amidon aux sacs plastique et réciproquement
• Comment recycler certaines bouteilles plastique ?

Des pistes sont également proposées pour un projet professionnel en lien avec la problématique.

Le verre : un matériau si ancien et tellement actuel ! Né du sable et du feu, le verre est un des matériaux les plus anciens utilisés par l’Homme. L’histoire de cette découverte, dont l’Encyclopédie de Diderot soulignait qu’elle était la plus merveilleuse et la plus utile depuis celle des métaux, nous fait voyager de Babylone à l’Égypte antique, de Murano à la France de Colbert qui, au milieu du XVII^e siècle, crée Saint-Gobain, et se poursuit encore aujourd’hui dans notre quotidien.

Il y a donc près de 5 000 ans, la découverte du verre aurait été faite par hasard sur la côte syro-palestinienne, sur les rives du fleuve Belus.

Dans son Histoire naturelle, Pline l’ancien raconte : « Des marins phéniciens firent un feu de camp près de Belus en Asie Mineure, et ne pouvant trouver des pierres pour établir leur foyer pour chauffer leurs marmites, ils utilisèrent des blocs de soude qu’ils transportaient dans leur navire. Avec la chaleur du feu, le sable et la soude se transformèrent en pâte de verre. »

L’histoire du verre s’est déclinée au fil des siècles et l’essor récent de la chimie et de la physique permirent de faire des avancées technologiques importantes. Celles-ci sont, par exemple, perceptibles dans nos habitats.

Dans ce dossier, après avoir présentée la fabrication du verre, nous aborderons sa coloration avant de clore sur quelques avancées technologiques le concernant.

Comment la chimie innove sans cesse dans l’industrie du verre ?

 

Problématique :

• De la légende à la réalité
• Comment peut-on colorer du verre ?
• Quelques innovations dans l'industrie du verre

Des pistes sont également proposées pour un projet professionnel en lien avec la problématique.

Actuellement en France, un homme sur deux et une femme sur trois seront atteints d’un cancer dans leur vie… on dénombre environ 380.000 nouveaux cas de cancer par an et on enregistre 140.000 décès ! [1].

Le cancer est une maladie complexe qui résulte d’une prolifération anormale des cellules. Comme chacun sait, il n’y a pas un cancer mais des cancers et ceci impose donc de posséder des stratégies curatives adaptées à chaque type de cancer. Les principales stratégies utilisées dans le traitement des cancers sont la chirurgie, la radiothérapie, la chimiothérapie, les thérapies ciblées, et l’immunothérapie.

La chimiothérapie est la méthode la plus ancienne utilisée pour essayer de détruire les cellules tumorales par administration de médicaments dits « cytotoxiques ». Ces médicaments peuvent agir sur différents processus impliqués dans la multiplication des cellules.

D’abord certains médicaments empêchent la réplication de l’ADN et sa transcription en ARN et peuvent être par exemple : 1) des agents alkylants (chlorméthine) 2) des intermédiaires électrophiles (dérivés du platine) 3) des intercalants entre les bases nucléiques dans la double hélice de l’ADN (daunorubicine). On utilise aussi des antimétabolites (5-fluoro-uracile) qui s’incorporent dans l’ADN à la place des bases nucléiques de l’ADN. On emploie parfois des inhibiteurs enzymatiques empêchant des réactions conduisant au développement des cellules (méthotréxate).

Enfin d’autres molécules altèrent la mitose (division cellulaire) ; ce sont des alcaloïdes comme la vinblastine, la navelbine ou des hétérocycles comme le taxotère. Ces dernières molécules se sont révélées très efficaces contre les cancers du sein mais aussi du poumon et ont été synthétisées par l’équipe de Pierre Potier dès les années 80 à l’ICSN de Gif-sur-Yvette dans la région parisienne [2].

Un protocole de chimiothérapie fait souvent appel à une association de plusieurs médicaments qui agissent sur ces différents processus. Les chimiothérapies sont souvent redoutées en raison de leurs effets secondaires (chute des cheveux, nausées, vomissements, baisse du nombre de cellules sanguines…). En effet, ces molécules s’attaquent aux cellules en développement rapide telles que les cellules tumorales mais aussi aux cellules saines qui se multiplient activement comme celles des cheveux, du sang ou des muqueuses digestives. Plus récemment des approches plus spécifiques des cellules tumorales ont été développées.

Les thérapies ciblées constituent une autre famille de traitements du cancer le plus souvent disponibles par voie orale. En ciblant spécifiquement certaines molécules de l’organisme, elles bloquent des mécanismes qui sont indispensables à la prolifération des cellules cancéreuses ou, plus globalement, au développement de la tumeur. Certains agissent sur les cellules cancéreuses à proprement parler et d’autres sur les cellules du micro-environnement tumoral, par exemple en bloquant la formation des vaisseaux sanguins qui irriguent une tumeur solide (médicaments antiangiogéniques) ou en activant des cellules immunitaires (immunothérapie). Selon les cancers, les thérapies ciblées peuvent être prescrites seules, en association entre elles ou avec d’autres traitements [3]. En éliminant avant tout les cellules porteuses de l’anomalie moléculaire ciblée, ces thérapies sont généralement mieux tolérées que les chimiothérapies conventionnelles mais elles ne sont pas exemptes d’effets indésirables.

L’immunothérapie regroupe un ensemble de stratégies visant à mobiliser ou à renforcer les défenses immunitaires des patients de manière à ce qu’elles s’attaquent aux cellules tumorales.

L’immunothérapie « spécifique » consiste à bloquer spécifiquement des protéines à la surface des cellules cancéreuses ou dans leur micro-environnement pour freiner la croissance tumorale. Elle repose notamment sur l’utilisation d’anticorps monoclonaux (les anticorps sont des protéines produites par le système immunitaire pour neutraliser et signaliser des éléments anormaux présents dans l’organisme). Un anticorps monoclonal est spécifique d’une seule cible, il se lie fortement à l’antigène (un antigène est une molécule toxique (virus, bactérie…), présente dans l’organisme (sang) qui stimule une réponse immunitaire). Les anticorps monoclonaux sont des anticorps qui n’existent pas naturellement dans l’organisme. Ils sont produits en laboratoire à partir de cellules-mères (animales) sélectionnées en culture à partir de levures ou de bactéries pour bloquer des mécanismes spécifiques, essentiels aux cellules cancéreuses. Cette méthode a fait l’objet de l’attribution du Prix Nobel de Médecine en 1984 au britannique César Milstein, au danois Niels Jerne et au suisse Georges Köhler. De nombreux anticorps monoclonaux sont sur le marché ; ils reconnaissent des protéines de surface spécifiques de la cellule tumorale et bloquent leur activité conduisant à la mort de la cellule et la reconnaissance de cette cellule par le système immunitaire. Historiquement, les premiers exemples de cette classe de traitements sont le bevacizumab, un « antiangiogénique » (il bloque le signal qui stimule la production de nouveaux vaisseaux sanguins dans les tumeurs) et le trastuzumab, un « anti HER2 » utilisé avec succès notamment pour traiter les cancers du sein dits HER2 positifs [4].

Une autre stratégie consiste à réactiver les lymphocytes T (globules blancs fabriqués dans le thymus (T), glande située à la base du cou) du système immunitaire qui sont désactivées par certaines cellules tumorales.

      

L’administration d’un anticorps monoclonal dirigé contre les protéines de la cellule tumorale qui inhibent l’activité des cellules T permet de retrouver un système immunitaire actif qui détruit la cellule tumorale.

Les immunoconjugués

Le concept est de « marier » la spécificité des anticorps monoclonaux à la puissance d’un agent anticancéreux pour augmenter l’efficacité de l’un et l’autre et diminuer les effets secondaires si possible. Ces immunoconjugués (en français) ou antibody-drugs conjugates (ADC) (en anglais) sont des « prodrogues » constituées par une molécule toxique (cytotoxique, toxine ou élément radioactif), et un anticorps qui sont reliés par un lien chimique (« linker » en anglais) réalisé par des liaisons chimiques covalentes.

Le mécanisme d’action de ces immunoconjugués est : 1) la fixation de l’anticorps sur la surface de la cellule cancéreuse grâce à une interaction anticorps-antigène, 2) l’endocytose (pénétration) dans le cytoplasme de la cellule conduisant à une structure appelée endosome accompagnée d’une acidification du milieu, 3) une coupure du lien par des enzymes permettant de libérer la molécule cytotoxique dans la cellule cancéreuse.

Signalons que les molécules cytotoxiques utilisées doivent être 100 à 1000 fois plus puissantes que les molécules classiques de la chimiothérapie car le greffage des molécules cytotoxiques sur l’anticorps est limité pour des raisons stériques à un certain nombre.

L’agent de liaison joue un rôle primordial, il doit : 1) être suffisamment stable pour éviter la libération de l’agent cytotoxique dans le sang ce qui conduirait à des effets toxiques indésirables,  2) permettre la libération de l’agent toxique uniquement dans la cellule cancéreuse. La réunion de la molécule antitumorale avec l’anticorps s’effectue par un lien chimique fonctionnalisé. Une fonction de ce lien permet une réaction avec certaines fonctions polaires de l’agent antitumoral et, du côté anticorps, une autre fonction du lien va réagir avec certains acides aminés de l’anticorps tels que des lysines ou cystéines. Les liaisons sont de type peptidique donc hydrolysables par des enzymes ou de type ponts disulfures qui peuvent alors être réduits[5]. L’immunoconjugué, grâce à la reconnaissance spécifique d’une protéine de surface de la cellule tumorale amène l’agent toxique majoritairement sur les cellules tumorales ciblées évitant ainsi les effets sur les cellules saines [6].

Une autre technique pour éviter les effets indésirables est que les immunoconjugués peuvent être encapsulés dans des microgouttelettes (utilisation de la microfluidique pour produire les microgouttelettes), qui sont injectées par voie intraveineuse et acheminées vers la tumeur grâce au flux sanguin. Le largage de l’immunoconjugué se fait au niveau de la tumeur grâce à des ultra-sons à l’endroit voulu et au moment voulu, la tumeur étant repérée grâce à un échographe. C’est ce qui a été réalisé, en particulier, avec la prodrogue [monométhylauristatine]. Les immunoconjugués actuellement en essai clinique ainsi que la mise au point de nouvelles techniques [7] permettent d’envisager des activités antitumorales sur les cancers du sein de grade élevé et des leucémies aigües avec une bonne efficacité et en minimisant les effets secondaires.

NB : L’auteur tient à remercier vivement Nicole Moreau, Janine Cossy et Jean-Marc Paris pour leurs aides à la rédaction de ce texte et leurs encouragements.

Références bibliographiques
[1] Biologie de synthèse : une nouvelle voie pour le traitement du cancer, C de Obaldia, colloque Chimie et Biologie de synthèse (14 février 2018), conférence et article (Mediachimie.org)
[2] Recherche et découverte de nouveaux médicaments antitumoraux : la Navelbine et le Taxotère, P. Potier, L'Actualité Chimique (janvier-février 1995) n° 185 p. 5
[3] Les anticorps monoclonaux : un fantastique arsenal thérapeutique en plein devenir, M. Fougereau, medecine/sciences (2009) 25:997–998
[4] Petites et grosses molécules innovantes dans le traitement des cancers, J.-P. Armand, colloque Chimie et nouvelles thérapies (13 novembre 2019), conférence et article (Mediachimie.org)
[5] Un point sur : Les immunoconjugués en oncologie (fiche 45) L. Gauzy-Iazo, L'Actualité Chimique (décembre 2016) n° 413 p. 63
[6] La montée en puissance des immunoconjugués en oncologie, Une liaison réussie entre un anticorps et une petite molécule cytotoxique, E. Vigne et I. Sassoon, medecine/sciences (2014) 20:855-863
[7] Nature et chimie : des alliées pour accéder à de nouveaux médicaments, J. Cossy, colloque Chimie et nouvelles thérapies (13 novembre 2019), conférence et article (Mediachimie.org)

Crédit illustration : Catharanthus roseus, Vengolis, CC BY-SA 4.0, WikiMedia

Voitures électriques, trottinettes ou éoliennes fonctionnent avec des aimants dits permanents, les plus puissants existants aujourd’hui, contenant des terres rares. Composants essentiels de la transition énergétique, ces métaux sont produits presque exclusivement en Chine. Pour pallier à cette situation de monopole et répondre à une demande exponentielle, le recyclage apparait aujourd’hui comme une réponse prometteuse. Il fait l’objet de recherches très pointues pour extraire la précieuse substance des aimants récupérés dans nos disques durs et cartes électroniques, et fabriquer de nouveaux aimants. À quand les poubelles magnétiques aux côtés de nos poubelles jaunes ?

L'Intelligence Artificielle est très attendue dans les domaines de la santé, de la mobilité, de la défense, de l'information, de la gestion des ressources naturelles et économiques, de la finance, des jeux, de la création d'images et de textes...

Mais que peut‐elle dans des domaines comme la chimie que l'on imagine plutôt relever de l'industrie « lourde et matérielle » ?

Tentons un point d'étape.

Les matériaux en général et les alliages en particulier, omniprésents mais souvent sous‐estimés, jouent un rôle vital dans de nombreux secteurs allant de la santé et de la mobilité à la construction et à l'énergie. Ils sont nécessaires aux transitions numériques et écologiques qui requièrent plus de fonctionnalités et moins d’incidences environnementales et sociétales. Découvrir ou concevoir sur mesure un alliage innovant, possédant le comportement complexe désiré, consiste à identifier la combinaison de briques élémentaires et les conditions permettant d’ajuster précisément leur organisation à différentes échelles.

Il s’agit donc d’explorer un vaste espace de conception, hyper‐dimensionnel. Pour cela, le chercheur a d’abord recours à l’empirisme et à son intuition. Puis, depuis quelques décennies, la simulation numérique, à partir de modèles mathématiques traduisant les lois de la physique, est devenue un oracle informatique fécond bien que limité. Aujourd’hui, nourrie par la quantité spectaculaire de données générées, l’intelligence artificielle a le potentiel de repousser certaines limites et, ainsi, d’accroitre notre capacité d’exploration. Dans cet exposé, j’illustrerai l’ensemble de ces concepts et utiliserai des exemples pour montrer les progrès récents dans le domaine du design d’une nouvelle génération d’alliages dits à haute entropie.

Les progrès des codes de simulation sur base des principes premiers (mécanique quantique et électromagnétisme sans recours aux données expérimentales) et des capacités des supercalculateurs ont donné naissance à l'approche dite des calculs ab initio à haut débit. Cette dernière a permis d'identifier de nombreux nouveaux composés pour diverses applications (par exemple, les batteries au lithium et les matériaux photovoltaïques). Suite à cela, un certain nombre de bases de données sont également devenues disponibles en ligne, donnant accès à diverses propriétés des matériaux, principalement pour des propriétés assez simples à calculer. En effet, pour des propriétés plus complexes (par exemple, des réponses linéaires ou d'ordre supérieur), l'approche à haut débit est toujours hors de portée en raison du temps de calcul requis. Pour surmonter cette limitation, les approches basées sur l'intelligence ont récemment attiré beaucoup d'attention dans le cadre de la conception de matériaux.

Dans cet exposé, je passerai en revue les progrès récents dans le domaine émergent de l'informatique des matériaux qui combine la puissance des calculs ab initio à haut débit et l'intelligence artificielle.

Les matériaux sont au coeur des transitions énergétiques et numériques et ils permettent l’émergence de nouvelles technologies dans de nombreux domaines comme la médecine ou le transport. Dans le contexte actuel, le déploiement de nouveaux matériaux doit répondre à trois contraintes :

• le temps limité fixé par l’urgence des enjeux sociétaux rappelés ci‐dessus,
• la complexité chimique, structurale et morphologique au sein de multi‐matériaux,
• la nécessité absolue de respecter les contraintes environnementales en termes de recours aux matières premières critiques, de durabilité des composants et de recyclabilité.

L’objectif principal du projet DIADEME(*) est d’accélérer la découverte de matériaux en respectant ce triptyque temps/complexité/contraintes environnementales. En réponse à l’appel à projet lancé par le gouvernement dans le cadre du plan France 2030, DIADEME a été sélectionné par un jury international en septembre 2021 parmi la première vague des PEPR(**) exploratoires. Doté d’un montant de 85M€ sur 8 ans, ce projet doit mettre en place les infrastructures nationales nécessaires à la synergie entre science des matériaux et science des données. De manière analogue à ce qui s’est produit dans d’autres domaines scientifiques, il s’agit d’impulser un véritable changement culturel dans la recherche et le développement des matériaux.

Dans la première phase de DIADEME qui est en cours, 17 projets ciblés ont pour tâche principale de mettre en place et de valider l’efficience de plateformes. Ces plateformes concernent la synthèse et la mise ne forme à haut débit, les caractérisations haut débit, la numérisation des matériaux et procédés et l’Intelligence Artificielle. Dans la seconde phase qui commencera en 2024, des appels à projets seront lancés pour la mise en oeuvre de ces plateformes au profit de recherches innovantes. Cette ouverture à l’ensemble de la communauté scientifique s’appuiera sur les groupements de recherches déjà existants, sur les sociétés savantes et sur les suggestions de partenaires industriels.

À l’international, DIADEME a déjà suscité l’intérêt de projets similaires tels que Materials Genome Initiative aux USA, MARVEL en Suisse et FAIRMAT en Allemagne. S’agissant d’une modification majeure des méthodes de recherche, la formation initiale et continue sera un élément central de DIADEME. La dissémination vers le grand public de la démarche et des résultats de DIADEME sera également une préoccupation constante des porteurs du projet.

(*) Dispositifs Intégrés pour l’Accélération du DÉploiement de Matériaux Émergents
(**) Programme et Équipements Prioritaires de Recherche

Les activités et produits industriels sont sujets à des risques qu’il convient de maîtriser afin d’éliminer ou au moins limiter leur impact sur l’homme et l’environnement. L’évaluation des risques industriels repose sur des approches expérimentales et de modélisation qui visent entre autres à caractériser les dangers (éco)‐toxicologiques et physiques des substances chimiques, évaluer les risques associés aux réactions chimiques dangereuses ou encore estimer les conséquences des phénomènes dangereux associés.

Si l’approche expérimentale représente une pièce fondamentale de l’expertise de l’Ineris, depuis la caractérisation en laboratoire jusqu’aux essais à grande échelle, les progrès scientifiques et techniques ont élargi au cours du temps le panel d’outils disponibles par de nouvelles approches méthodologiques complémentaires permettant d’accéder à des informations plus nombreuses, plus rapidement et parfois plus complètes.

Dans ce contexte, les méthodes de machine learning et d’intelligence artificielle ouvrent des potentialités intéressantes que ce soit dans la mise en place de méthodes prédictives et de modélisation ou même dans le traitement et l’exploitation des données issues de campagnes expérimentales.

Cette présentation dressera un panorama des travaux et perspectives de l’apport des nouvelles approches méthodologiques et de l’intelligence artificielle pour l’évaluation et la maîtrise des risques accidentels que ce soit dans un contexte règlementaire ou dans le développement de substances et de procédés intrinsèquement plus sûrs.