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Par Jean-François Dars & Anne Papillault

photo André Kertész

SÉRENDIPITÉ CHIMIQUE / CHEMICAL SERENDIPITY

De fil en aiguille, la chance réputée aveugle n’est pas forcément invisible.

One thing leading to another, luck is said to be blind, but not necessarily invisible.

Geoffrey Bodenhausen
21 Juil, 2015
Tapuscrit...

Geoffrey Bodenhausen – J’avais envie de vous parler de sérendipité. La sérendipité est en fait un mot anglais, inventé par Walpole, qui veut dire quelque chose comme un hasard heureux, un concours de circonstances, qui fait que l’on découvre des choses auxquelles on ne s’attendait pas vraiment. Mais auxquelles on était quand même un peu préparé. Et j’ai repris un mot de Pasteur qui a écrit quelque part : Le hasard ne favorise que les esprits préparés. Alors je vous parle d’un domaine qui m’intéresse particulièrement, qui est la résonance magnétique nucléaire, qui est une méthode qui permet de caractériser la matière sous toutes ses formes, qu’elle soit gazeuse, qu’elle soit liquide, qu’elle soit solide, qu’elle soit à haute ou à basse température, toute forme de matière peut être étudiée par la résonance. Tout résonne dans l’univers, d’abord le spin porte ce nom parce qu’à l’origine on a pensé que les noyaux tournaient autour de leur axe, un peu comme la Terre tourne autour de son axe, et en fait il se trouve que tout tourne, il est inconcevable qu’un corps céleste ne tourne pas sur son axe, et la même chose est vraie pour les noyaux, la même choses est vraie pour les électrons, tout tourne. Et donc tout résonne, puisque dès qu’il y a mouvement de rotation, il y a aussi fréquence, et dès qu’il y a fréquence il y a transition. Et donc spectroscopie. J’ai parlé de sérendipité ; en résonance magnétique, il se trouve que l’on a redécouvert il y a une dizaine d’années, ce qu’on appelle des états singulets, ou des états antisymétriques, c’est une allusion à la mécanique quantique, car effectivement il y a des états où deux spins peuvent s’appareiller, d’une manière, un spin positif, un spin négatif, ou plus concrètement un spin parallèle au champ magnétique et l’autre antiparallèle. Il y a deux difficultés, c’est que ces états ne sont pas observables et qu’il faut imaginer un moyen de les transformer dans une grandeur observable. Mais en résonance magnétique, il y a un collègue anglais, de l’université de Southampton, qui s’appelle Malcolm Levitt, qui s’est rendu compte que l’on pouvait induire un état antisymétrique, et ensuite l’observer, par la suite, Et Levitt a fait ça avec beaucoup d’élégance, et sa recherche a débouché sur une quête effrénée dans le monde entier pour inventer, ou découvrir, ou identifier des états de spin de très longue durée de vie. Donc il s’agissait en quelque sorte d’entrer dans le Guinness Book of Records pour avoir l’état le plus long, le plus indestructible, qui ait la plus longue durée de vie. Cela en soi n’avait pas beaucoup d’intérêt, c’était un peu pour la beauté de l’art. Donc nous avons participé à cette course, et puis tout d’un coup on s’est aperçu de tout autre chose ! Dès qu’une petite molécule a une affinité pour une grande protéine, elle s’y associe librement, avec beaucoup d’entrain, si j’ose dire. Eh bien dès qu’un tel processus se produit, il se trouve que la durée de vie de l’état singulet est singulièrement raccourcie. Et donc cette durée de vie suggère une espèce de contraste entre la forme libre et la forme liée à la protéine. Et tout d’un coup on s’est aperçus qu’il y a là un moyen d’identifier les petites molécules qui ont une affinité pour les protéines. Or ça, c’est en fait l’un des grands sujets de l’industrie pharmaceutique. Donc voilà une application totalement imprévue des états singulets et des états antisymétriques. Et Levitt d’ailleurs, m’a dit une fois, « Tiens, c’est marrant, c’est la seule application utile de notre idée ! » C’est lui qui le dit, mais c’est peut-être vrai…

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Transcript...

Geoffrey Bodenhausen – I’d like to say a few words about serendipity. It is an English word that was invented by Walpole. It refers to a fortunate convergence of circumstances that allows one to discover things that one did not really expect. But you have to be prepared. Pasteur wrote somewhere: Le hasard ne favorise que les esprits préparés: luck only favours those whose minds are prepared. I’d like to talk about a field of research that I find particularly attractive, nuclear magnetic resonance. This method allows one to characterize matter in many possible forms, be it a solid, a liquid, or a gas, at very high or very low temperatures: virtually any form of matter can be studied by resonance. Everything in the universe resonates, everything rotates about some axis, everything in spinning. Originally it was believed that the magnetic properties of nuclei were due to their rotation, a bit like the Earth spins about its axis. Indeed everything rotates: it is inconceivable that a celestial body does not spin about its axis. The same holds for nuclei, the same holds for electrons: everything spins. And therefore everything resonates, since a rotation must be associated with an angular frequency, and as soon as we deal with frequencies we must have transitions. And hence we must have spectra, i.e., arrays where transitions are ordered according to their frequencies. I’d like to say a bit more about serendipity. In magnetic resonance, so-called singlet states were discovered about ten years ago. These are also known as anti-symmetric states in the language of quantum mechanics. Indeed, in these states two spins form a pair, one positive and the other negative, or more precisely, one spin parallel to the magnetic field and the other anti-parallel. There are two difficulties. These states cannot be observed directly, so that one must imagine a means of transforming them into some observable quantity. A colleague at the University of Southampton, Malcolm Levitt, figured out how one can populate an anti-symmetric singlet state, and how one can make it observable at some later point in time. Levitt has shown many elegant approaches. His work has lead to an intense world-wide competition to discover and identify spin states with long life-times. If you could make a state with a very long life-time, you might have a chance to be mentioned in the Guinness Book of Records. On itself, this quest may not be so exciting. It was rather for the sake of the art. We eagerly participated in this competitive quest, until suddenly – by serendipity – we realized something that was quite unexpected! If a small molecule has a pronounced affinity for a large protein, they bind together with much enthusiasm, if one may say so. Well, if such a process occurs, it turns out that the life-time of an anti-symmetric singlet state associated with the small molecule is dramatically shortened. Hence this life-time allows one to see a sharp contrast between the free and protein-bound forms of the small molecule. We realized that this offers a unique means to identify small molecules that have an affinity for proteins. This turns out to meet one of the great challenges of pharmaceutical industry. So we discovered a totally unexpected application of anti-symmetric singlet states. Levitt once told me, “Gosh, that might be the only useful application of our idea.” That was merely a personal opinion, but he might actually be right…

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Professeur de chimie à l’École Normale Supérieure (ENS – Paris) où il dirige le laboratoire Structure et dynamique des biomolécules, directeur du laboratoire de résonance magnétique biomoléculaire à l’École Polytechnique Fédérale (EPFL) de Lausanne, Geoffrey Bodenhausen est un spécialiste de la résonance magnétique nucléaire (RMN), une discipline qui permet d’aborder la matière aussi bien avec les yeux d’un chimiste qu’avec ceux d’un physicien ou d’un biologiste. Sa confiance dans le « hasard préparé » que les Anglo-Saxons chérissent sous le nom de serendipity lui permet d’envisager des applications concrètes à des découvertes à première vue gratuites.

Professor of chemistry at the École Normale Supérieure (ENS) in Paris where he is in charge of a laboratory called Structure and Dynamics of Biomolecules, and head of the Laboratory of Biomolecular Magnetic Resonance at the École Polytechnique Fédérale of Lausanne (EPFL), Geoffrey Bodenhausen is a specialist of nuclear magnetic resonance (NMR), a tool that allows one to grasp matter with the eyes of a chemist as much as with those of a physicist or a biologist. His confidence in the virtues of serendipity encourages him to explore practical applications of fundamental discoveries that might appear to be mere curiosities on first sight.