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Complexes auto-organisés

Entretien avec Jean-Marie Lehn

Prix Nobel de chimie, fondateur de la chimie supramoléculaire, Jean-Marie Lehn revient sur ce qu'il considère comme le « phénomène le plus important de la matière » : l'auto-organisation.
Un entretien particulièrement éclairant sur les processus par lesquels un ordre matériel, vivant ou pensant émerge d'un désordre d'éléments irréductibles.

Vue de la scénographie d'Hypermusic Prologue, Matthew Ritchie © Luc Hossepied

Vous insistez souvent sur l'importance du tableau de Mendeleïev. Vous en parlez d'ailleurs comme de la « pierre de Rosette » de la chimie. En quoi a-t-il été si important ?

Le tableau de Mendeleïev a été l'une des plus grandes conquêtes, non seulement de la science mais aussi de l'humanité elle-même. Au cours du temps, les chimistes comprirent que la matière était composée d'éléments irréductibles, qu'ils réussirent à isoler. On vit apparaître ce que j'appelle parfois un bestiaire d'éléments, sans néanmoins qu'on puisse le comprendre et y mettre de l'ordre. C'était en un sens le chaos. On savait que certains éléments se combinaient d'une certaine façon avec d'autres, on essayait de les classer, de les regrouper, et il y eut quelques propositions dans ce sens. Mendeleïev eut l'idée d'une relation entre les éléments et leurs propriétés, mettant en lumière l'ordre qui se cachait derrière l'apparent désordre, et la possibilité de les classer en un tableau. Mendeleïev édifia ce fameux tableau périodique constitué de lignes et de colonnes, les éléments disposés sur une même colonne ayant des propriétés apparentées. En ce faisant, le tableau contenait des cases vides : Mendeleïev proposa qu'elles soient remplies par la suite.

Et l'histoire lui donna raison, puisque les éléments manquants ont tous été trouvés. On possède donc désormais un tableau complet où se retrouvent classés tous les éléments, les atomes, qui constituent ce que l'on appelle la matière visible de l'univers (en cosmologie, on estime actuellement qu'il y a 5% de matière visible et 95% de matière non visible dans l'univers). Et c'est pourquoi j'aime insister sur son importance. En principe le tableau est plein. Ce qui est assez renversant (et en un sens un peu gênant) c'est qu'il n'y a pas de vide dans le tableau de Mendeleïev, autrement dit, ce tableau contient bien la totalité des briques de l'Univers. C'est pour ça qu'il m'est arrivé d'en parler comme d'une pierre de Rosette de la chimie.

Comment, à partir de ce tableau qui ordonne notre connaissance de la matière, peut-on comprendre ce qui est plus complexe ? Les entités plus complexes ? Les organismes vivants même ?

À partir de ces éléments - de ces briques - arrangés de manière extrêmement diverse et variée, on peut obtenir une infinité de compositions, puisqu'il n'y a pas de limitation sur la nature, le nombre et l'arrangement spatial, donc sur la diversité possible. Cela a donné lieu aux divers constituants de la matière : la matière inerte, sous toutes ses formes, la matière vivante, sous toutes ses formes également, ou la matière que j'appelle pensante dont, pour le moment nous ne connaissons qu'une seule forme. Il en existe probablement d'autres, compte tenu des milliards de planètes présentes dans l'Univers : dire qu'il existe d'autres formes de matière pensante est presque un impératif cosmique, ce n'est pas un hasard. Les lois de la matière sont telles que la recomposition de ces éléments devrait conduire à des organismes vivants, peut-être pensants, qui possèdent probablement une propriété autre que la pensée connue de nous. Il nous est forcément très difficile à imaginer, penser par-delà sa pensée n'a rien d'évident. C'est donc à partir des éléments contenus dans le tableau de Mendeleïev que sont constitués tous les organismes, connus ou non, et c'est l'interaction multiple entre les éléments qui fait la complexité.

Est-ce à dire que la complexité est davantage dans l'opération que dans le nombre ?

Vous avez raison. On a souvent tendance à considérer que la complexité est d'abord une question de multiplicité, de multiplicité des éléments. Ce serait la complexité du nombre. Mais je vois davantage la complexité comme une combinaison, d'une part de la multiplicité des objets, d'autre part de leurs interactions, enfin de leur intégration en une fonction. Pour moi, la complexité c'est une sorte de combinaison du multiple, de l'interactionnel et de l'intégration.

Le terme d'interaction est un des mots que vous utilisez le plus ? N'est-ce pas la base de la chimie supramoléculaire dont vous êtes le fondateur ?

C'est le maître-mot de la chimie que nous avons développée, la chimie supramoléculaire.
Les éléments du tableaux de Mendeleïev, on l'a vu, sont les briques. À partir de ces briques, les atomes, sont construites les molécules, suivant des règles bien définies (il y a des lois strictes de combinaison de ces éléments). La manière dont cet ensemble de molécules interagit forme l'espèce supramoléculaire. On peut comparer la molécule à un individu, les interactions entre les individus dans une société ou dans un groupement social représenterait l'espèce supramoléculaire. C'est pourquoi, pour définir la chimie supramoléculaire, il m'est arrivé d'en parler comme d'une sociologie moléculaire. Elle étudie la manière dont les molécules interagissent les unes avec les autres. On pourrait aussi dire que les lettres sont les atomes, les mots sont les molécules, la phrase c'est l'espèce supramoléculaire. Pour construire des molécules à partir d'atomes, on les lie les uns aux autres par des liaisons qu'on appelle fortes - en chimie, covalentes. Une fois qu'elles sont constituées, il reste à ces molécules des interactions plus faibles s'effectuant entre elles, qui ne sont pas soumises à des règles aussi strictes que celles qui les constituent. Les interactions entre les molécules sont donc plus souples, plus molles, plus modifiables.

Pour prendre un exemple, nous avons dans notre organisme des cellules appelées cellules tueuses qui sont chargées de reconnaître les cellules malades, par exemple des cellules devenues cancéreuses. Ces cellules tueuses ont pour mission de trouver ces cellules transformées et de les détruire. Comment ? Il faut s'imaginer que ces cellules (tueuses et modifiées) sont toutes constituées d'un ensemble défini par une membrane. Cette membrane les entoure comme une espèce de bulle de savon. Dans cette membrane sont plantées des molécules très spécifiques qui sont comme les mains de la cellule. Si la cellule est cancéreuse, elle porte à sa surface des molécules que la cellule tueuse va reconnaitre par contact. Les molécules insérées à la surface des membranes des cellules tueuses entrent en contact avec les molécules spécifiques de la cellule cancéreuse, et c'est de cette façon que l'une reconnaît l'autre. La chimie moléculaire est donc la chimie de la maîtrise de la construction des molécules à partir d'atomes. Par-delà la chimie moléculaire, la chimie supramoléculaire essaye de comprendre comment les molécules interagissent les unes avec les autres, comment les objets chimiques interagissent les uns avec les autres par des processus de reconnaissance.

Jean-Marie Lehn © DR

Pour décrire les interactions entre molécules vous évoquez un « paradigme de l'information ». Comment est traitée et véhiculée l'information au niveau moléculaire et supramoléculaire ?

Les informations qui se transmettent entre molécules sont des informations que l'on pourrait qualifier d'analogiques plus que de digitales (bien que ce qui soit analogique puisse être digitalisé). Dès le moment où les molécules, les cellules ou les organismes se reconnaissent, c'est qu'il y a une information. Comment va-t-on décrire cette information ? Comment va-t-on la quantifier ? Et comment va-t-on la manipuler ? C'est l'objet précisément d'un grand nombre de travaux en chimie.

Pour comprendre comment cette information est présente, stockée et lue, il y a un exemple assez percutant : celui du génome de tous les êtres vivants. Il est écrit avec 4 lettres, 4 groupes chimiques, que l'on peut désigner par la première lettre de leur nom chimique, AGTC. Ces 4 lettres vont se combiner en de longues séquences où elles sont liées les unes aux autres, de manière bien spécifique, pour former les molécules d'ADN qui constituent les génomes de tous les organismes vivants. On est donc en face d'une espèce de stockage d'information unidimensionnel. Comment ces séquences sont-elles lues et traitées ? Par interaction, par appariement. Ces lettres peuvent s'associer 2 à 2 : A s'accroche à T par 2 points de contact, G à C par 3 points de contacts, et c'est comme cela qu'une séquence peut être lue. Autrement dit, quelle que soit la séquence d'AGTC, le complémentaire s'effectue toujours en mettant en face d'un A un T, et en face d'un G un C. C'est de cette manière que l'information stockée dans la séquence sera lue et pourra être traitée. Cette lecture est donc supramoléculaire.

Est-ce de cette manière que l'on peut comprendre ce qui a amené l'Univers à s'organiser ?

La matière contient en elle-même, du fait de ses interactions, les propriétés qui lui permettent de s'organiser. Une façon très simple - très simplifiée - de comprendre comment un certain ordre se crée, est de considérer 3 objets X, Y et Z. Si les propriétés de ces objets sont telles que X s'accroche plus fortement à Y qu'à Z, on assiste à un début d'ordre, d'organisation avec le regroupement entre X et Y, Z restant à l'écart.

Un exemple qui permet de bien comprendre le passage du plus simple au plus complexe est celui de l'eau. Une molécule d'eau est constituée de 2 atomes d'hydrogène et d'un atome d'oxygène. H-O-H. Une molécule d'eau a des propriétés totalement différentes des propriétés des atomes H et O. Si cette molécule d'eau est totalement isolée dans l'espace, elle ne peut ni geler ni bouillir. Ces propriétés n'existent pas au niveau de la molécule isolée. Maintenant, si vous prenez un verre d'eau, il est possible de la geler et de la faire bouillir. Cela vient du fait que le verre d'eau est rempli d'un ensemble de molécules en interaction. Ces molécules forment un ensemble supramoléculaire, dont les propriétés sont nouvelles. On peut dire que ces propriétés émergent dès le moment où les molécules sont ensemble et peuvent interagir. Parmi ces nouvelles propriétés il y a le fait de pouvoir geler, de pouvoir bouillir, mais il y en a aussi d'autres, telles des propriétés de réfraction et de viscosité qu'une molécule d'eau prise séparément ne possède pas. Pourtant, si les propriétés de l'ensemble du verre d'eau ne sont pas réductibles à la molécule isolée, elles en sont déductibles. En partant des propriétés de la molécule isolée, il est possible (même si ce n'est pas aisé) d'en déduire et de calculer le fait qu'elle gèle (à quelle température), qu'elle bout (à quelle température), etc.

Ce qui vaut pour l'eau vaut pour des objets plus compliqués et plus complexes, y compris les organismes vivants et pensants. On peut donc imaginer qu'à chaque niveau de complexité croissant, de nouvelles propriétés vont apparaître. Certes on ne peut réduire la pensée ou la musique à une histoire d'hydrogène, de carbone, etc. Mais elles résultent de l'opération d'ensembles moléculaires et supramoléculaires, certes à un niveau extrêmement élevé de complexité. Tout notre fonctionnement, le fait qu'on pense ou que l'on crée est le résultat d'organismes qui sont constitués d'hydrogène, d'oxygène, de carbone, d'azote, de phosphore...

N'est-ce pas là qu'intervient l'auto-organisation, qui est pour vous un concept essentiel ?

En effet, la notion d'auto-organisation est la notion clé. Depuis le big-bang jusqu'à nous maintenant, la matière s'est organisée d'elle-même. À partir des briques, contenues dans le tableau de Mendeleïev, et des forces que la physique décrit et qui permettent de comprendre comment les molécules interagissent, on peut saisir comment l'évolution de l'Univers a pu générer l'énorme diversité des combinaisons possibles, aussi complexes soientelles. Pour prendre une comparaison avec l'architecture, il est possible de créer une infinité de formes avec un seul élément : la brique. Même à partir de briques de forme simple, il est possible de construire une infinité de maisons, toutes différentes les unes des autres. Alors essayons d'imaginer ce qu'il est possible de faire dès lors qu'il n'y a pas qu'une forme de briques, mais plusieurs !

On ne peut qu'admirer, s'extasier devant l'extrême complexité du vivant. On s'interroge. Comment est-ce possible? Mais en même temps, quand on considère l'énorme diversité des combinaisons possibles et des interactions possibles, on se rend compte que même le vivant et le pensant peuvent se concevoir !

Dans l'univers, avant la vie, il devait y avoir à l'œuvre une auto-organisation. Revenons au génome qui est écrit avec les 4 lettres : AGTC. Prenons une de ces lettres, A. Qu'est-ce ? Un groupement chimique très simple qui résulte de la condensation de 5 molécules de HCN (hydrogène, carbone, azote). Ainsi, à partir de 5 molécules très simples, présentes dans l'espace interstellaire, on peut former une des lettres du génome de tous les organismes vivants sur terre. Mettez un peu d'eau, et vous en obtenez une deuxième, G. Avec quelques autres transformations chimiques, relativement simples, vous pouvez en principe obtenir les deux dernières lettres. Donc vous avez accès aux lettres qui composent le génome de tous les organismes vivants par des processus chimiques relativement simples, et à partir des éléments qui sont présents dans l'univers non vivant. Encore une fois, il ne s'agit pas de réduire la vie à ces éléments, mais on peut la déduire de ces éléments.

Vous distinguez ce que vous appelez « l'auto-organisation par dessein » et « l'auto-organisation par sélection ». Pouvez-vous nous en dire plus ?

Le dessein, c'est le chimiste qui le fait. Il met en place un programme qui fait que des composants vont interagir et s'organiser d'une certaine manière. On va donc dans ce cas programmer intentionnellement le processus, c'est-à-dire qu'on va introduire dans les caractéristiques d'une brique des instructions suffisamment fortes qui vont faire qu'elle va interagir comme on le souhaite avec d'autres briques. Après cela est venue l'idée que le processus d'assemblage pourrait choisir de lui-même les éléments nécessaires à l'édification de l'objet final dans un milieu contenant une grande diversité d'éléments. Ainsi apparaît l'idée de sélection. Prenons le cas d'un mélange d'un certain nombre d'éléments. Bien qu'ils soient mélangés, ils vont quand même pouvoir se retrouver et interagir les uns avec les autres pour constituer les mêmes ensembles que ceux qu'ils feraient s'ils avaient été isolés : ils arrivent à s'auto-sélectionner. Cela repose sur la robustesse du programme qui est présent. Il faut que le processus soit suffisamment robuste pour qu'il puisse se dérouler par sélection des composants requis et en présence de perturbations trop fortes.

Pour moi, l'auto-organisation c'est le phénomène le plus important. Et la matière est douée d'auto-organisation. C'est le processus pas lequel, à partir des éléments dissociés qui se sont formés après le big-bang, a pu se constituer une matière de plus en plus complexe. À un moment donné est apparue la vie par des processus qui, sans être actuellement compris, ne sont pas incompréhensibles. Ensuite est apparue la pensée, encore beaucoup plus complexe. La question majeure est peut-être d'ailleurs celle-là : comment l'Univers a-t-il pu générer un organisme qui puisse réfléchir sur l'origine de l'Univers même ?

Jean-Marie Lehn
Chimiste. Prix Nobel de chimie en 1987, Professeur au Collège de France.

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