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Comment la matière inerte a-t-elle pu se transformer en quelque chose d’aussi complexe qu’une cellule vivante ? Chaque civilisation a tenté de répondre à cette question à travers le mythe, la philosophie et la religion. Aujourd’hui, Prof. Massimiliano Esposito aborde ce sujet sous l’angle de la physique et de la chimie. Il a reçu l’une des bourses de recherche les plus prestigieuses d’Europe, l’ERC Advanced Grant, pour son projet « Energy and Self-Organisation in Systems Chemistry: Building the Missing Theory ».
La chimie du vivant
Au cœur des recherches du Prof. Esposito se trouve une idée en apparence simple : les systèmes vivants sont, fondamentalement, des réseaux de réactions chimiques. Chaque battement de cœur, chaque pensée, chaque division cellulaire résulte de de molécules qui réagissent, se transforment et échangent de l’énergie. Mais comment les systèmes chimiques ont-ils acquis les propriétés que nous associons au vivant ?
La génétique a montré que toute vie sur Terre descend d’un unique organisme ancestral, connu sous le nom de LUCA (Last Universal Common Ancestor, ou dernier ancêtre commun universel), qui vivait il y a environ quatre milliards d’années. LUCA était déjà un organisme évolué, ce qui laisse supposer qu’une longue période d’évolution chimique l’a précédé. La manière dont les systèmes chimiques ont progressivement acquis les caractéristiques du vivant reste l’une des grandes questions non résolues de la science.
L’approche du Prof. Esposito est centrée sur l’énergie. Il cherche à mettre au jour les principes physiques qui régissent les systèmes chimiques continuellement alimentés en énergie. La matière, livrée à elle-même, dérive naturellement vers l’équilibre : pensez à un feu qui s’éteint, ou à une tasse de café chaud qui refroidit. Les systèmes vivants font l’inverse. Ils consomment en permanence de l’énergie pour rester actifs. Le corps, par exemple, brûle constamment de l’énergie pour maintenir cet état auto-régulé que l’on appelle la vie.
La question est donc la suivante : quels principes fondamentaux permettent à la chimie de faire émerger des comportements propres au vivant ? Y répondre pourrait fournir les bases théoriques nécessaires pour concevoir des systèmes chimiques synthétiques toujours plus avancés.
Vers une théorie pour concevoir des machines moléculaires
De tels résultats pourraient aider les scientifiques à développer des systèmes moléculaires plus sophistiqués, de minuscules machines capables de consommer de l’énergie et de s’auto-réguler. Cette capacité ouvre la voie à des systèmes qui s’adaptent, prennent des décisions et accomplissent des tâches complexes de manière autonome, avec des applications en médecine, biotechnologie et matériaux intelligents.
Pour l’heure, la conception de tels systèmes relève encore largement de l’empirisme. « Il manque encore un cadre théorique général pour concevoir ce type de systèmes. C’est cette lacune que ce projet entend combler », explique le Prof. Esposito.
‟ En apportant à la chimie des outils modernes de physique hors équilibre et de thermodynamique, ce projet vise à établir les principes théoriques nécessaires pour guider la conception de systèmes chimiques complexes.”
Professeur en physique théorique
En développant une théorie des réseaux chimiques alimentés en énergie, le Prof. Esposito cherche à identifier les principes physiques à l’origine d’une organisation chimique proche du vivant, et à établir des bases claires pour la conception de tels systèmes. Tout comme les ingénieurs s’appuient sur les lois de la physique pour concevoir des ponts ou des avions, les chimistes pourraient un jour disposer des principes théoriques comparables pour concevoir des machines moléculaires destinées à la médecine et à la biotechnologie.