La combrétastatine A-4 (CA-4), molécule naturelle isolée d’un saule d’Afrique du sud, est le chef de file des agents antivasculaires, détruisant sélectivement le réseau vasculaire tumoral et conduisant à une nécrose ischémique d’une tumeur solide. Sa prodrogue, la fosbrétabuline (CA-4P, First-in-class) pour le traitement de tumeurs neuro-endocrines et des glioblastomes multiformes, malgré un intérêt thérapeutique certain, souffre d’une instabilité chimique et d’effets indésirables dont une cardiotoxicité.

La conception d’agents antivasculaires stables et plus efficaces a permis d’identifier les isocombrétastatines, dont le chef de file est l’isoCA-4.2 Cette molécule, aux propriétés antivasculaires avérées, présente un profil biologique rigoureusement identique à celui de la molécule naturelle (CA-4) sans toutefois présenter le risque d’isomérisation. La preuve de concept de son efficacité antitumorale in vivo en monothérapie et en combinaison avec un agent cytotoxique a été démontrée. À ce titre, l’équipe a été lauréate du label « Équipe Labellisée 2014 » par la Ligue contre le cancer et d’un prix de valorisation de l’Université Paris-Sud.

Un travail important de chimie – pharmacochimie – biologie a été réalisé. La chimie de dérivés N-tosylhydrazones4 s’est révélée être un outil puissant et éco-compatible pour la synthèse des molécules cibles. Cette présentation décrit les outils organométalliques développés, l’évaluation biologique des molécules synthétisées et les perspectives qu’ouvre ce programme multidisciplinaire dans le cadre de thérapies moléculaires ciblées en mettant en évidence des profils (bio)moléculaires inédits.

L’équipe NanoBioPhotonics de l’Institut de Biologie Intégrative de la Cellule à Orsay présente la technologie de traçage par photoluminescence. Cette technologie permet de détecter de très faibles concentrations de biomarqueurs moléculaires de différentes maladies (notamment des cancers) dans différents spécimens cliniques : sang, tissus, cellules. L’objectif est de lire les informations transmises par le biomarqueur au sujet de la maladie.

Le principe repose sur la reconnaissance moléculaire spécifique du biomarqueur par deux anticorps caractéristiques de la maladie. Sous irradiation laser, l’entité moléculaire créée génère un signal de fluorescence. Ce signal est détecté par des détecteurs optiques qui sont ici des nanoparticules appelées « points quantiques ». Ceux-ci émettent aussi une fluorescence dont l’analyse spectroscopique permet de détecter et de mesurer la concentration du biomarqueur à de concentrations très faibles avant que le cancer n’apparaisse.

Dans les océans, la fixation du carbone par le phytoplancton joue un rôle clé dans le cycle géochimique du carbone. La biodiversité des organismes photosynthétiques est considérable à partir des microalgues du plancton. Celles-ci, présentes sur la Terre depuis plus de quatre millions d’années, jouent un rôle important dans la chaîne alimentaire au sein des mers. Certaines microalgues sont eucaryotes, c’est-à-dire qu’elles possèdent des cellules à un seul noyau. D’autres, les cyanobactéries, sont dites procaryotes avec la caractéristique de ne pas posséder de noyau cellulaire.

Les molécules de chlorophylle, contenues dans les chloroplastes de la cellule végétale des microalgues, produisent par photosynthèse, avec le dioxyde de carbone de l’air et de la lumière, du dioxygène et de la biomasse : pour de 1 kg de microalgues et 1,6 kg de CO₂ consommés, on obtient 0,6 kg de biomasse (matière organique, ici d’origine végétale, source potentielle d'énergie) [1] [2].

Les microalgues sont constituées de trois familles de grandes macromolécules : des protéines, des polysaccharides (sucres) et des lipides (graisses). Pour augmenter le pourcentage de lipides, on cultive des microalgues. En particulier, lorsqu’elles sont soumises à des conditions de « stress » en les privant d’éléments nutritifs (azote par exemple), elles accumulent de l’amidon (chaînes de polysaccharides) mais surtout des lipides jusqu’à plus de 60 % de leur masse [3].

Valorisation pour produire des biocarburants

Des prototypes industriels sont réalisés. Pour cela on introduit le dioxyde de carbone dans un réacteur (2500 litres) tubulaire en zigzag ou hélicoïdal (550 m) dans une bouillie aqueuse de microalgues (25 kg), en présence d’une source de lumière [4]. Il existe aussi des réacteurs sous forme de bassins, appelés raceway en anglais par analogie aux champs de course [6].

On obtient du dihydrogène (appelé bio-hydrogène), des alcanes (appelé biokérosène), de l’amidon (qui conduira au bioéthanol) et des lipides (qui conduiront au biodiesel). Ce procédé industriel nécessite un contrôle précis de la quantité de CO₂, de l’intensité lumineuse, de la température, du pH… [5]

Pour extraire les huiles ainsi produites il faut des bassins de floculation, des unités de séchage sous pression, des opérations de centrifugation et des unités d’extraction par sonication (utilisation d’ultrasons) ou par dioxyde de carbone supercritique. Cela explique que le procédé ne soit pas encore opérationnel industriellement et fasse l’objet de nombreux développements [6].

Un autre domaine de valorisation concerne l’ophtalmologie

Ainsi, par exemple, à la base des flagelles des cellules de certaines variétés de microalgues on peut déceler un « œil » qui est composé d’une substance de type carotène comme la rhodopsine. Celle-ci tapisse la rétine de l’œil et absorbe les photons par fermeture des canaux ioniques des ions sodium et calcium qui restent ouverts dans l’obscurité [7].

Par ailleurs, certaines microalgues, telles que Porphyridium cruentum, apportent une autre variété de caroténoïde : la zéaxanthine. Ce composé existe aussi dans la rétine et est responsable de la vision des couleurs ! Mais cette substance se dégrade dans le temps et est responsable de la DMLA (dégénérescence maculaire de la rétine). Il faut savoir qu’une personne sur quatre âgées de plus de 75 ans va en être affectée [4].

La thérapie optogénétique consiste à insérer dans la membrane des algues unicellulaires des gènes codant pour une protéine photosensible des neurones de la rétine [7].

Pour approfondir et illustrer ce sujet

[1] « Les microalgues : pour quoi faire ? » conférence et article de Jack Legrand, Chimie et changement climatique, pp. 223-237, EDP Sciences (2016), ISBN : 978-2-7598-2035-1

[2] « Le dioxyde de carbone, la molécule-clé de la chimie du développement durable », Jacques Amouroux et al., La chimie et la nature, pp. 209-229, EDP Sciences (2012), ISBN : 978-2-7598-0754-3

[3] « Des microalgues pour la production de biocarburants de Fred Beisson et al., Clefs CEA, n° 61 (2013) pp. 49-52

[4] « Dioxyde de carbone et microalgues : pour une chimie renouvelable, conférence et article de Claude Gudin, Chimie et enjeux énergétiques, pp. 253-264, EDP Sciences (2012), ISBN : 978-2-7598-0973-8

[5] « Ça roule avec les algues », Les Savanturiers, n°15 (février 2016) p. 2

[6] « Les algocarburants, de nouveaux diesels miracles ? » de Jean-Claude Bernier, L’Actualité Chimique, n°375-376 (juillet-août 2013) p. 8

[7] « Faire revoir un aveugle avec le système photosensible d’une algue : bientôt une réalité ? », conférence et article de Serge Picaud, La chimie et les sens, EDP Sciences (2017), ISBN : 978-2-7598-2173-0
 

  
Illustration de la photosynthèse
 

Comment extraire un composé organique, insoluble dans l’eau et piégé dans une substance végétale, comme des fleurs, des feuilles, des écorces ou des graines : par hydrodistillation. La majeure partie des huiles essentielles à usage médical ou de parfums est obtenue par cette technique.

Sur l’exemple de l’extraction du principe actif contenu dans la feuille de gaulthérie, cette vidéo présente le matériel, le montage à réaliser au laboratoire ainsi que les conditions de sécurité à respecter.

Cette vidéo sera utile aux élèves des classes scientifiques des lycées et aux étudiants de 1^er cycle de l’enseignement supérieur.
 

Vidéo et article des lauréat du Grand Prix des Jeunes Journalistes de la Chimie 2018.

Rencontre très pédagogique avec Patrick Couvreur et les chercheurs du laboratoire de recherche à l’origine de ces nouveaux médicaments, pour comprendre comment la chimie permet d’encapsuler les principes actifs dans des molécules nanovecteurs pour délivrer le médicament spécifiquement au niveau de la cellule malade.

Cette technologie améliore l’activité thérapeutique et diminue la toxicité. Elle est particulièrement intéressante pour les médicaments anticancéreux. La vidéo permet de suivre les principales étapes de la fabrication en laboratoire.

L’amidon est une matière première naturelle pour de nouveaux polymères, biosourcés et biodégradables (compostage), aux architectures moléculaires spécifiques et aux applications multiples de l’électronique au biomédical.

L’amidon, un polymère naturel

L’amidon est extrait de la biomasse végétale (graines de céréales, en particulier de maïs, légumineuses, tubercules comme la pomme de terre…).

Constitution de l’amidon

C’est un polysaccharide constitué d’unités de D-glucose (C₆H₁₀O₅)_n (a).

Deux types de macromolécules sont présents dans la structure de l’amidon : l’amylose (b) de structure linéaire responsable des parties cristallines et l’amylopectine (c) de structure ramifiée qui donne des zones amorphes.

Influence de la température et de l’humidité

La température de transition vitreuse T_g de l’amidon (passage de l’état rigide et cassant à l’état souple et malléable) est d’environ 200°C, ce qui le rend dur à température ambiante. Ces propriétés peuvent être modifiées par insertion de molécules entre les chaines macromoléculaires.

Ainsi l’eau et surtout le glycérol sont utilisés comme plastifiants. Le matériau obtenu a alors une T_g plus basse et possède ainsi un comportement thermoplastique ce qui permet un travail de mise en forme plus commode pour l’extrusion, l’injection et le thermo-moulage.

Avec un excès d’eau, l’amidon gonfle irréversiblement à partir de 60°C, l’amylose puis l’amylopectine se solubilisent progressivement par gélatinisation. Par refroidissement on obtient alors des gels exploités dans l’industrie alimentaire pour texturer les produits [1].

La sensibilité de l’amidon à l’humidité est à la fois source de dégradation mais, bien exploitée, peut aussi servir à des applications innovantes.

Exemples d’applications

On cherche par exemple à réaliser des polymères à mémoire de forme sensibles à la température et à l’humidité. La transition d’une conformation à une autre est stimulée par la teneur en eau ou par la température du milieu. Il est ainsi conçu des dispositifs qui peuvent se déployer dans les conditions corporelles pour des applications biomédicales en chirurgie. Par exemple, l’amidon mélangé avec exactement 20% de glycérol peut donner des tubes ou même des stents à mémoire de forme dans des traitements post-opératoires. Il est aussi utilisé comme traceur de température ou d’humidité pour des emballages biodégradable intelligents.

Dans un gel d’amidon, l’eau peut être échangée avec de l’éthanol. Après extraction de celui-ci par du CO₂ supercritique, on obtient un aérogel. Cela conduit à des mousses solides de faible densité inférieure à 0,15 g.cm^-3, très poreuses et présentant des grandes aires spécifiques de plus de 300 m²/g. Elles sont utilisées pour former des microbilles pouvant encapsuler par exemple des principes actifs de médicaments ou des arômes [2].

Vers de nouveaux polymères biosourcés après fractionnement et bioraffinage de l’amidon

Le bioraffinage de l’amidon

Le bioraffinage de l’amidon met en jeu différentes étapes. Une d’entre elles consiste en une hydrolyse enzymatique du glucose à partir duquel on obtient un mélange d’acide lactique D et L. Une autre met en jeu une fermentation bactérienne contrôlée stérosélective permettant d’isoler l’un des stéréo-isomères D ou L de l’acide lactique. Le stéréoisomère est alors séparable du milieu par distillation.

Exemples de polymères

La dimérisation de l’acide lactique conduit à des lactides (esters cycliques) qui par ouverture de cycles conduisent à des poly(acide lactique), PLA, de stéréochimie contrôlée.

Le contrôle de la stéréochimie des (D)-PLA et (L)-PLA permet d’obtenir des polymères cristallisés à température de fusion T_f et température de transition vitreuse T_g élevées. Par conséquent ils sont rigides à température ambiante avec, par exemple, des applications dans l’emballage alimentaire et le biomédical [3].

Le PLA est le principal polyester biodégradable et biosourcé produit actuellement à 280 kt/an.

Le PLA possède une cinétique de biodégradation rendue plus rapide par compostage industriel au-dessus de 50°C [4]. Comme l’amidon thermoplastique souffre de défauts mécaniques pour des applications de matériaux de structure, des mélanges appelés « alliages » de polymères sont alors nécessaires, notamment avec des polymères biosourcés tels que le PLA.

On obtient alors des matériaux dont les applications commerciales sont des objets à courte durée de vie tels que les sacs biodégradables en quelques mois [5], alors que la durée de vie d’un sac plastique en polyéthylène d’origine pétrolière est de 200 ans !

(a) D glucose en représentation de Fischer

(b) Amylose

(c ) amylopectine

acide lactique

Pour approfondir

Les références ci-dessous, sélectionnées sur ce thème et issues du site Mediachimie.org ou de la revue L’Actualité chimique, permettront d’obtenir des informations complémentaires.

• [1] Valorisation biologiques des agro-ressources, Pierre Monsan, colloque Chimie et nature (2012)
• [2] L’amidon et les matériaux, où en est-on ? « Un point sur », Denis Lourdin, L’Actualité chimique, n°411 (octobre 2016) pp. 43-44
• [3] Les polymères biodégradables et biosourcés : des matériaux pour un futur durable, Luc Avérous, L’Actualité chimique, n°375-376 (juillet-août 2013) p. 83-90
• [4] Polymères biosourcés : principaux enjeux et perspectives, L. Avérous, S. Caillol et H. Cramail, L’Actualité Chimique, N° 422-423(oct-nov 2017) p. 68-75
• [5] Sus aux sacs, chronique par Jean-Claude Bernier, L’Actualité Chimique, n°407 (mars 2017) pp. 5-6

On apprend à connaître les régions du cerveau qui sont utilisées à l’association des lettres et des sons, afin de construire les mots et d’en comprendre la fonction.

Objectif : Vidéo courte, mais très intéressante pour découvrir ce champ immense de la connaissance du fonctionnement du cerveau.
Niveau : dès le début du collège

Ce long article très riche et très bien structuré fait un état des lieux de la chimie des matériaux, non seulement la synthèse mais aussi l’analyse et les procédés d’élaboration des matériaux. Ceux-ci sont utilisés non seulement pour ce qui concerne l’énergie (que ce soit pour de la conversion, du stockage, ou dans le domaine de l’énergie nucléaire), mais aussi l’habitat, l’information et la communication, ou la santé.

Chimie des matériaux - Nanomatériaux et procédés (PDF, lien externe)