vendredi 20 octobre 2017

Nobel de chimie, 3D molécules, image du chercheur et de la recherche


Par Prof. Paul Guichard, Dr. Didier Perret, Dr. François Lombard

Abstract

L'annonce du prix Nobel de chimie partagé avec un chercheur romand au style de communication assez chaleureuse et humaine donne un bon exemple pour dépasser le cliché du savant dans sa tour d'ivoire ou carrément dérangé.  Ensemble ils ont mis au point une technique qui permet de figer et de déterminer la structure 3D des bio-molécules avec une précision grandement accrue.

"The Nobel Prize in Chemistry 2017 was awarded to Jacques Dubochet, Joachim Frank and Richard Henderson "for developing cryo-electron microscopy for the high-resolution structure determination of biomolecules in solution"."
Cryo-electron microscopy of proteins such as this          β-galaxtosidase enzyme has progressed from the low-resolution          density map on the left to the atomic coordinates on the right.
Fig 1: La Cryo-electron microscopy de proteins (ici l'enzyme β-galaxtosidase) a permis de passer de la carte de densité à basse résolution (à gauche) aux coordonnées atomiques à droite. [img]. Source :Cressey, D., & Callaway, E. (2017)

Jacques Dubochet raconte avec ironie que sa contribution a d'abord été rejetée par Nature et que cette technique a permis de très nombreuses découvertes abondamment publiées dans cette même revue… et fonde -avec deux autres - l'attribution du prix Nobel de chimie cette année.
A l'UniGE des chercheurs utilisent cette technique couramment. Dr Didier Perret du Chimiscope qui a travaillé avec Dubochet commente la technique avec le regard du connaisseur, et Prof. Paul Guichard
à l'UniGE présente deux publications récentes dans Nature et montre comment la Cryo-EM a permis de nouvelles percées pour comprendre la maladie d'Alzheimer.
D'innombrables structures 3D produites par la recherche sont dans des banques de données
librement accessibles - aussi en classe. Une formation continue offerte aux enseignants présentera les possibilités d'usage en classe de ces biomolécules à l'heure ou les imprimantes 3D deviennent courantes   FC PO ici.

La microscopie électronique et la congélation instantanée de bio-molécules en solution pour déterminer leur structure 3-D

Comme le décrit Jacques Dubochet en 2012, (ici), à cette époque, sa découverte était si révolutionnaire que la revue NATURE, un des journaux en science les plus en vue, refusa son article. Les relecteurs ont justifié en indiquant : "you cannot bend nature", qui signifiait  que sa découverte allait au delà des lois physiques et que l'eau vitreuse dans un microscope était impossible. Plus de trente années plus tard, Jacques Dubochet reçoit le prix Nobel et NATURE publie aujourd'hui plusieurs dizaines d'articles par an utilisant cette méthode : la Cryo-microscopie (cryo-electron microscopy ou cryo-EM) qui permet de déterminer la structure 3-D de molécules (notamment protéines et acides nucléiques) dans leur état natif et à haute-résolution.
Notons que Dubochet n'est pas seul, une fois sur deux la publication fondatrice qui a valu le prix Nobel avait été refusée par Nature et Science.  Il faut reconnaitre que ce doit être bien difficile de distinguer l'étrange qui est révolutionnaire de la masse d'articles simplement farfelus… Même les meilleurs éditeurs avec de bons reviewers n'y parviennent pas à coup sûr (cf. par exemple cet Editorial de Nature (2003), ici , ou ScienceAlert).

"La cryo-EM consiste à congeler très rapidement des échantillons biologiques purifiés dans un bain d'éthane liquide refroidit à la température de l'azote liquide (-196°C). Cette étape s'appelle la vitrification où les molécules d'eau n'ont pas le temps de prendre un arrangement cristallin comme lors de la formation de glace. Dans ces cas, les molécules d'eau gardent la même organisation qu'à l'état liquide tout en étant congelés. L'échantillon d'eau vitreuse qui contient les bio-molécules est ensuite transféré dans un microscope électronique afin de visualiser la structure des biomolécules à étudier.
Avant cette découverte,  les bio-molécules étaient visualisées en enlevant l'eau autour des protéines, ce qui les déformait. Notre chercheur romand, Jacques Dubochet, a inventé cette méthode de vitrification (flash-freeze) qui permet de garder les échantillons dans leur état dit natif. Aujourd'hui cette méthode est utilisée à travers le monde pour résoudre à l'échelle atomique la structure des bio-molécules cellulaires afin de mieux comprendre leur fonctionnement. " Prof. Paul Guichard

Dr. Didier Perret du Chimiscope qui a travaillé avec les microscopes de Dubochet résume la technique et commente pour Expériment@l-Tremplins

L'invention de la microscopie électronique à transmission (TEM) en 1933 par Ernst Ruzka n'a été récompensée du Prix Nobel de physique qu'en 1986, conjointement à Heinrich Rohrer et Gerd Binnig pour leurs travaux chez IBM-Zürich ayant conduit à la création en 1981 du microscope à effet tunnel. C'est dire qu'il aura fallu 53 années pour que l'un des outils privilégiés des scientifiques passe du statut de simple instrument de visualisation à celui de découverte fondamentale permettant d'ouvrir des champs de compréhension des mécanismes atomiques et moléculaires à l'échelle nanoscopique !
Le Prix Nobel de chimie 2017 ne récompenserait-il alors qu'une « simple amélioration technique » de la microscopie ? Manifestement non ! Pour mesurer l'extraordinaire avancée des origines de la TEM à aujourd'hui, il faut comprendre que l'eau (qui constitue l'essentiel de la matière étudiée en biologie) et le haut vide (indispensable au cheminement des électrons dans la colonne du TEM) ne font simplement pas bon ménage.
Pour étudier un échantillon essentiellement aqueux, l'approche « traditionnelle » consiste à procéder à de fastidieuses étapes d'élimination de l'eau et d'inclusion en résine hydrophobe ; cette méthode normative est encore largement utilisée aujourd'hui malgré ses nombreux artefacts avérés, car elle produit des résultats qui sont aisément comparables dans le temps et d'un chercheur à l'autre.
Alternativement et pour contourner les dommages provoqués par la déshydratation, l'échantillon peut être inclus en résine hydrophile ; cette méthode, inventée en 1983, n'a jamais reçu les faveurs des biologistes malgré ses avantages documentés, car elle pose le problème de la comparaison de résultats obtenus dans des conditions différentes ; elle fait cependant fureur auprès des chimistes qui étudient les colloïdes et particules en milieu aquatique naturel.
Finalement et logiquement, la panacée consiste à conserver l'eau dans l'échantillon, en la refroidissant tellement rapidement qu'elle « vitrifie » (littéralement : formation d'une phase amorphe excluant la création de volumineux cristaux de glace fortement dommageables pour les fines et fragiles structures à étudier). Et étrangement, c'est avec de l'éthane liquide (-183 °C) ou du propane liquide (-188 °C), et non avec de l'azote liquide plus froid (-196 °C), que la congélation est la plus rapide et qu'elle permet de figer l'échantillon intact dans son milieu natif pour qu'il révèle sous le microscope toutes ses subtilités morphologiques sans modification. Cette découverte fondamentale vaut donc bien un Prix Nobel car elle révolutionne aujourd'hui la compréhension des systèmes biologiques.

Fig 2: Les mécanismes de la cryo-microscopie - comparée à la cristallographie a rayons X  [img]. Source :Cressey, D., & Callaway, E. (2017)


Pour plus de détails un review sur la technique :

Un chercheur romand très humain

Alors que l'image du chercheur dans le public est souvent celle du savant fou, Dubochet parait très humain et dit bien sa passion pour la science.
Peut-être que cette image moins austère peut aider certain-e-s élèves à envisager des études en science ?


Fig 3: Jacques Dubochet video Darius Rochebin (Emission Pardonnez-moi, )  [img]. Source : TSR

Jacques Dubochet video Darius Rochebin (Emission Pardonnez-moi, ) reçoit le Prix Nobel de chimie 2017

L'information depuis le site Nobel pour la chimie 2017

Read more about this year's prize:

Des chercheurs à l'UniGE viennent de faire une découverte importante en utilisant la  cryo-microscopie


Fig 4: La structure des TOROIDS révélée par cryoEM en blanc avec les structures atomiques des différentes protéines qui la composent en couleur.  [img]. Source : Prouteau, et al. (2017) 

Prof. Paul Guichard, un des coauteurs, précise : "Cette technique est installée à l'UniGE depuis plus de deux ans afin d'étudier des complexes macromoléculaires. En utilisant cet outil, Manoel Prouteau, collaborateur scientifique dans le laboratoire du Professeur Robbie Loewith à l'UniGE a pu révéler la structure d'un nouvel assemblage cellulaire, les TOROIDS.

Ces chercheurs ont découvert que l'enzyme TOR (Target Of Rapamycine), impliquée dans le développement et le vieillissement cellulaire, s'inactive en formant un complexe macromoléculaire lorsque la cellule est privée de glucose. Ces mêmes chercheurs ont également montré que cet assemblage peut se désassembler lorsque que le glucose est à nouveau présent et ainsi ré-activer la fonction de l'enzyme TOR. En utilisant la cryo-microscopie, le groupe du Professeur Loewith a découvert que cet assemblage était en fait une gigantesque structure en forme d'hélice. En formant cette hélice, les zones critiques à la fonction de TOR sont masquées, expliquant ainsi le mécanisme d'inactivation de l'enzyme.  Cette découverte a été publié récemment dans le journal Nature:"
  • Prouteau, M., Desfosses, A., Sieben, C., Bourgoint, C., Lydia Mozaffari, N., Demurtas, D., … Loewith, R. (2017). TORC1 organized in inhibited domains (TOROIDs) regulate TORC1 activity. Nature, 550(7675), 265‑269. https://doi.org/10.1038/nature24021

Une recherche sur les fibres amyloïdes fait la une de Nature

Prof. Paul Guichard précise l'importance cruciale qu'a pris la cryo-EM : "Pourquoi utiliser la cryo-microcopie pour étudier nos molécules ? Notre corps est fait de cellules qui sont elles mêmes composes de centaines de milliers de molécules. Ces molécules, qui ne font que quelques nanomètre de long ont des structures caractéristiques à leur fonction. Si la structure est altérée, sa fonction peut l'être aussi et entrainer des maladies. C'est le cas dans la maladie d'Alzheimer où la protéine Tau change de structure pour former des fibres amyloïdes, responsable du développement de la maladie. Grace à la cryo-microscopie, des chercheurs du laboratoire de biologie moléculaire à Cambridge (Fitzpatrick, A. W. P., et al., 2017) ont pu résoudre la structure des fibres amyloïdes il y a quelques mois et ainsi mieux comprendre comment ces fibres se forment.  "
  • Fitzpatrick, A. W. P., Falcon, B., He, S., Murzin, A. G., Murshudov, G., Garringer, H. J., … Scheres, S. H. W. (2017). Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer's disease. Nature, 547(7662), 185‑190. https://doi.org/10.1038/nature23002
Couverture du journal NATURE pour cette découverte:


Fig 5 : La structure des fibres amyloïdes résolue par cryoEM [img]. Source : Fitzpatrick, A. W. P., et al., 2017

Des protéines et d'autres biomolécules disponibles librement en 3D - même en classe

Une banque de données donne accès aux structures 3D obtenues par cryo-EM


Sur la banque de données 3D RCSB PDB   on trouve de très nombreuses molécules établies par Cryo-EM : par exemple le virus Zika



https://www.rcsb.org/pdb/ngl/ngl.do?pdbid=5IRE&bionumber=1

Comment exploiter ces structures 3D en classe ?

Disposer de ces magnifiques ressources ne suffit pas à ce que les apprentissages s'ensuivent automatiquement. Il y a toute une pédagogie à inventer.


Fig 7: L'usage en classe de modèles imprimés en 3D sera discuté dans une formation continue . Photo F. Lombard avec l'accord de l'élève.
L'usage en classe des structures 3D et leur matérialisation à l'aide d'imprimantes 3-D vous est offerte :
Une formation continue sur les protéines en relief et en volume est proposée le mercredi 21 mars 2018 après-midi, avec M.-C. Blatter, expert en banques de  données (SIB), Daniel Schneider et Stéphane Morand, experts en impression 3D (TECFA) et François Lombard, (Collège Calvin, IUFE, TECFA).
Au cours de cette après-midi vous apprendrez à sélectionner une protéine ou un ARN, à trouver sa structure 3D dans une banque de données (souvent produite par Cryo-EM), à la visualiser à l'écran, à la convertir en format pour impression 3D. Vous verrez le processus d'impression d'une ou deux vous recevrez une structure  3D à emporter. Vous emporterez votre sélection de molécule 3D sur une clé USB pour aller l'imprimer.
Inscrivez-vous ici : PO-422 - La protéine en volume et en relief mercredi 21 mars 2018 après-midi
une image vaut mille mots ... mais peut être interprétée          de mille manières

Références : (Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).

  • Cressey, D., & Callaway, E. (2017). Cryo-electron microscopy wins chemistry Nobel. Nature, 550(7675), 167‑167. https://doi.org/10.1038/nature.2017.22738
  • Dubochet, J. (2007). The Physics of Rapid Cooling and Its Implications for Cryoimmobilization of Cells. In Methods in Cell Biology (Vol. 79, p. 7‑21). Academic Press. https://doi.org/10.1016/S0091-679X(06)79001-X
  • Dubochet, J. (2012). Cryo-EM—the first thirty years. Journal of Microscopy, 245(3), 221‑224. https://doi.org/10.1111/j.1365-2818.2011.03569.x
  • Editorial, Nature (2003). Coping with peer rejection. Nature, 425(6959), 645‑645. https://doi.org/10.1038/425645a
  • Fitzpatrick, A. W. P., Falcon, B., He, S., Murzin, A. G., Murshudov, G., Garringer, H. J., … Scheres, S. H. W. (2017). Cryo-EM structures of tau filaments from Alzheimer's disease. Nature, 547(7662), 185‑190. https://doi.org/10.1038/nature23002
  • Perret D., Leppard G.G., Mavrocordatos D. (2005). Microscopy applications – environmental. In P. Worsfold, A. Townshend, C. Poole (Eds), Encyclopedia of Analytical Science, 2nd edition, Vol. 6. p.65-73. Elsevier Academic, San Diego.
  • Mavrocordatos D., Perret D., Leppard G.G. (2007). Strategies and advances in the caracterisation of environmental colloids by electron microscopy. In K.J. Wilkinson, J.R. Lead (Eds), Environmental Colloids and Particles – Behaviour, Separation and Characterisation. p. 345-404. IUPAC Series on Analytical and Physical Chemistry of Environmental Systems. Wiley, Chichester.
  • Prouteau, M., Desfosses, A., Sieben, C., Bourgoint, C., Lydia Mozaffari, N., Demurtas, D., … Loewith, R. (2017). TORC1 organized in inhibited domains (TOROIDs) regulate TORC1 activity. Nature, 550(7675), 265‑269. https://doi.org/10.1038/nature24021

François Lombard, chargé de projet Expériment@l Faculté des Sciences UniGE

dimanche 15 octobre 2017

L'intensité des interactions entre les chiens et les humains : on commence à comprendre les mécanismes

L'ocytocine comme médiateur de la relation chien-maître et certains gènes de l'hypersociablilité comme facteur de l'évolution (domestication) du chien ? 

Lorsqu'on inhale de l'ocytocine, parfois appelée "hormone de l'amour", on devient plus confiant, coopératif et généreux nous rappelle Morell, V. (2014) dans une news de Science. Plusieurs recherches ont montré que cette molécule est essentielle pour la formation de liens avec leurs petits chez de nombreuses espèces de mammifères. Qu'elle puisse jouer un rôle crucial dans la relation particulière entre un-e chien-e et son maître n'est peut-être pas tellement surprenant. Ce qui l'est plus c'est qu'en faisant inhaler à un chien de l'ocytocine, on mesure un accroissement de cette hormone chez son maître (Nagasawa, M., et al., 2015) . Il semble que l'ocytocine modifie subtilement les interactions canin-humain ce qui a pour effet de produire plus de cette hormone chez l'humain.  Les chercheurs parlent d' "Oxytocin-gaze positive loop". Sans être une phéromone - elle n'est pas produite par le chien et transférée à l'humain - elle semble être constitutive de ce lien chien-humain.
Les expériences sont évoquées ci-dessous et une sélection d'articles porte sur d'autres effets dans les relations sociales, parentales et de groupe de cette hormone très sociale.
Une autre recherche récente
vonHoldt, B. M., et al. (2017cherche dans des régions du génomes connues pour être liées à l'hypersociabilité pathologique des mutations qui pourraient avoir produit des loups plus enclins à s'attacher aux humains qui auraient été sélectionnés et seraient devenus les chiens.
Le lecteur encouragé à aller lire les articles d'origine -cette publication Expériment@l et Bio-Tremplins est un Tremplin vers la recherche.
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L' "Hormone de l'amour" aurait le même effet entre les humains et avec les chiens ?


Melpomenem/iStockphoto/ThinkstockL'ocytocine joue-t-elle le même rôle dans des relations sociales sans rapport avec la reproduction ?
Pour le savoir, des scientifiques japonais (
Romero, T., Nagasawa, M., Mogi, K., Hasegawa, T., & Kikusui, T., 2014) ont pulvérisé soit de l'ocytocine, soit une solution isotonique dans les narines de 16 chiens de compagnie, tous âgés de plus d'un an. Les chiens ont ensuite rejoint leurs propriétaires, qui étaient assis dans une autre pièce et ne savaient pas quel traitement leur chien avait reçu. Les propriétaires ont été invités à ignorer toute réponse sociale de leurs chiens. Mais les chiens qui avaient inhalé l'ocytocine ont rendu difficile à leurs maîtres le respect de cette règle. Une analyse statistique a montré que les chiens traités à l'ocytocine étaient plus enclins à renifler, lécher ou presser les pattes sur leurs maîtres que ceux ayant reçu la solution isotonique. Le temps passé par les chiens traités à l'ocytocine auprès de leurs propriétaires, les yeux fixés, était également nettement plus élevée.
les scientifiques rapportent aujourd'hui en ligne dans les Actes de l'Académie nationale des sciences.
Obtenir une bouffée d'ocytocine a également rendu les chiens plus amicaux envers leurs copains chiens - mesuré par le temps qu'ils ont passé auprès de ces autres canins.
L'étude soutient l'idée, disent les
Romero, T.,et al. (2014), que l'ocytocine n'est pas seulement produite chez les mammifères pendant les événements reproductifs. Il est également essentiel pour former et  maintenir des relations sociales étroites, même si elles sont associées à des individus indépendants ou à des espèces différentes.

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L'hormone inhalée par le chien, induit le maître à en produit plus …

Nagasawa, M., et al. (2015) ont montré que les maîtres qui regardent leur chien dans les yeux ont leur ocytocine qui augmente.  Ils ont demandé à 55 propriétaires de chiens d'éviter le regard de leur animal pendant 30 minutes ou de le regarder, le toucher et parler avec ui. Ceux qui ont interagi ont vu leur taux d'ocytocine augmenter d'environ 30% par rapport à ceux qui évitaient le regard de leur animal. Le plus surprenant est que lorsqu'ils ont fait inhaler au chien de l'ocytocine, cet effet se transmet au maître, qui voit son ocytocine augmenter. C'est ce que les auteurs appellent "Oxytocin-gaze positive loop". Ils précisent que cet effet ne se produit pas avec les loups. 
Peut-être le petit chaperon rouge aurait-elle du plus se méfier.
Comparisons of                behavior and urinary oxytocin between oxytocin and saline                treatment conditions.,,(A) to (C) The effects of oxytocin                administration on dog behaviors. Panels show the mean                duration of dogs' gaze at participants (A), touching                participants (B), and time spent in the proximity of less                than 1 m from each participant (C). Black and white bars                indicate, respectively, oxytocin- and saline treatment                conditions. OW, owner; UP, unfamiliar person. (D) to (G)                Change in urinary oxytocin concentrations after a 30-min                interaction after oxytocin or saline administration.                Urinary oxytocin concentrations of owners (D) and dogs (F)                before and after a 30-min interaction are shown for                oxytocin and saline groups. The change ratio of urinary                oxytocin in owners (E) and dogs (G) is compared between                male and female dogs. ***P < 0.001, **P < 0.01, *P                < 0.05. The results of (A) to (D) and (F) are expressed                as mean ± SE. (E) and (G) reflect median ± quartile.

une image vaut mille mots ... mais peut être            interprétée de mille manières
Fig 1: L'ocytocine augmente chez le maitre (D) et chez le chien (F) si on fait inhaler de l'ocytocine au chien - surtout si c'est une chienne (E-G) [img]. Source :Nagasawa, M., et al. (2015)
  • Nagasawa, M., Mitsui, S., En, S., Ohtani, N., Ohta, M., Sakuma, Y., … Kikusui, T. (2015). Oxytocin-gaze positive loop and the coevolution of human-dog bonds. Science, 348(6232), 333‑336. https://doi.org/10.1126/science.1261022
  • Perspective  évolutivee sur cet article :
    • MacLean, E. L., & Hare, B. (2015). Dogs hijack the human bonding pathway. Science, 348(6232), 280‑281. https://doi.org/10.1126/science.aab1200
    • Tens of thousands of years ago, a wolflike predator gave rise to a more docile lineage, which soon became our trusted fireside companions (1). How did dogs become so embedded in human societies? Why do we feel genuine friendship, love, and social attachment in our relationships with dogs? On page 333 in this issue, Nagasawa et al. (2015) reveal a powerful mechanism through which dogs win our hearts—and we win theirs in return.
    • En français : Morin, H. (2015). Une dose de chimie entre le chien et son maître. Consulté 10 octobre 2017, à l'adresse https://www.letemps.ch/sciences/2015/05/04/une-dose-chimie-entre-chien-maitre
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D'autres effets de l'ocytocine dans l'attachement parental ou de couple, les relations sociales et de groupe  :

L'ocytocine (oxytocin en anglais,P01178 @ Uniprot) est libérée dans l'encéphale à partir de l'hypothalamus (cf Purves on-line ) qui contrôle les réactions biologiques telles que la faim, la soif et la température du corps. Cette hormone stimule les contractions utérines pendant le travail et induit la production de lait. On la trouve en concentrations élevées dans le liquide céphalo-rachidien pendant et après la naissance. Il joue un rôle dans les réactions viscérales de combat ou de fuite associées à des émotions de base telles que la peur et la colère, et il semble impliqué dans la biochimie de l'attachement. L'ocytocine est libéré lors de l'orgasme pour les deux sexes (Young, L. J., 2009). Chez les hommes, l'ocytocine semble faciliter le transport des spermatozoïdes dans l'éjaculation.

Certains travaux attribuent à l'ocytocine un rôle moins "gentil" 
  • La face sombre de l'ocyotocine : elle incite à un comportement de protection (confiance et coopération à l'intérieur du groupe et aggression défensive contre les autres groupes
    • De Dreu, C. K., Greer, L. L., Handgraaf, M. J., Shalvi, S., Van Kleef, G. A., Baas, M., … Feith, S. W. (2010). The neuropeptide oxytocin regulates parochial altruism in intergroup conflict among humans. Science, 328(5984), 1408–1411. doi:http://dx.doi.org/10.1126/science.1189047
      • "Here, we have linked oxytocin, a neuropeptide produced in the hypothalamus, to the regulation of intergroup conflict. In three experiments using double-blind placebo-controlled designs, male participants self-administered oxytocin or placebo and made decisions with financial consequences to themselves, their in-group, and a competing out-group. Results showed that oxytocin drives a "tend and defend" response in that it promoted in-group trust and cooperation, and defensive, but not offensive, aggression toward competing out-groups."
    • En Français sur cette recherche :
    • Abadie, Jacques (20101) L'ocytocine : Une hormone nous pousse à défendre notre groupe, La Recherche X 2010 extraits intranet.jpg
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Le comportement des chiens envers les humains résulterait de mutations connues pour causer l'hypersociabilité chez l'humain

Il y a sept ans, Monique Udell, spécialiste en comportement animal à l'Oregon State University à Corvallis, et Bridgett vonHoldt, généticien de l'Université de Princeton, ont établi un lien entre certains gènes et un comportement qu'ils jugent essentiel à la domestication des chiens: l'hypersociabilité. Ils partent du constat que les chiens sont hypersociaux par rapport aux loups, et ont vu un parallèle avec l'hypersociabilité (pathologique) chez des humains qui ont le syndrome de Williams-Beuren  (WBS), un trouble du développement qui entraîne une déficience mentale et une apparence «elfique», mais qui rend souvent une personne très confiante et amicale.

Fig 2: Le comportement social du chien envers les humains résulterait de mutations dans une zone du chr. 6 connues pour causer l'hypersociabilité chez l'humain. [img]. Source :Nagasawa, M., et al. (2015)

Le syndrome résulte de la perte d'une partie du chromosome 7 humain, dont l'équivalent se trouve sur le chromosome 6 du chien et qui semblait avoir joué un rôle important dans l'évolution canine. vonHoldt, B. M., et al. (2017) ont tenté d'établir si cet ADN était lié à la gentillesse des chiens. L'équipe a trouvé que l'ADN variait beaucoup chez les chiens, avec des parties insérées, supprimées ou dupliquées. "Presque tous les chiens et les loups que nous avons séquencés avaient un changement différent", dit VonHoldt. Les personnes atteintes du syndrome de  Williams-Beuren (WBS) présentent également de grandes variations dans cette région, et l'on pense que la variation affecte la gravité de la maladie et la personnalité des gens. La même chose semble vraie chez les loups et les chiens.  vonHoldt, B. M., et al. (2017) rapportent que les chiens hypersociaux avaient plus de perturbations de l'ADN que les loups qui sont bien plus distants par rapport à l'humain. La perturbation d'un gène pour une protéine appelée GTF21, qui régule l'activité d'autres gènes, était associée aux chiens les plus sociaux.


Fig 3: Différences entre chiens (dogs) et loups (wolves) pour un des indices comportementaux WBS (cf supplementary data.pdf).
L'* indique
des differences significatives  (p<0.05). Source vonHoldt et al. (2017)
"We analyze a 5-Mb genomic region on chromosome 6 previously found to be under positive selection in domestic dog breeds. Deletion of this region in humans is linked to Williams-Beuren syndrome (WBS), a multisystem congenital disorder characterized by hypersocial behavior. We associate quantitative data on behavioral phenotypes symptomatic of WBS in humans with structural changes in the WBS locus in dogs. We find that hypersociability, a central feature of WBS, is also a core element of domestication that distinguishes dogs from wolves. We provide evidence that structural variants in GTF2I and GTF2IRD1, genes previously implicated in the behavioral phenotype of patients with WBS and contained within the WBS locus, contribute to extreme sociability in dogs. This finding suggests that there are commonalities in the genetic architecture of WBS and canine tameness and that directional selection may have targeted a unique set of linked behavioral genes of large phenotypic effect, allowing for rapid behavioral divergence of dogs and wolves, facilitating coexistence with humans." vonHoldt, B. M., et al. (2017) extrait de l'abstract
  • Pennisi, E. (2017). What makes dogs so friendly? Study finds genetic link to super-outgoing people. Science. https://doi.org/10.1126/science.aan7125
  • vonHoldt, B. M., Shuldiner, E., Koch, I. J., Kartzinel, R. Y., Hogan, A., Brubaker, L., … Udell, M. A. R. (2017). Structural variants in genes associated with human Williams-Beuren syndrome underlie stereotypical hypersociability in domestic dogs. Science Advances, 3(7), e1700398. https://doi.org/10.1126/sciadv.1700398
(Les membres Expériment@l-Tremplins peuvent obtenir ces articles…).

Références :

16 X 17. Correction d'erreurs typographiques

lundi 9 octobre 2017

Nobel et les ondes gravitationnelles : plus qu'une confirmation, un champ de recherche s'ouvre


Le prix Nobel pour la physique a été attribué mardi passé à Rainer Weiss (Massachussetts Institute of Technology), Kip Thorne et Barry Barish (California Institute of Technology) : trois personnalités de la collaboration américaine LIGO, l'interféromètre qui, en février 2016, enchantait le monde entier avec la nouvelle de la première détection d'ondes gravitationnelles, datant du 14 septembre 2015  (B. P. Abbott et al. PRL 116, 061102 (2016)), dont nous parlions dans un article de février 2016, Les ondes gravitationnelles, des vagues dans les médias, mais des infos assez vagues !
Cette reconnaissance n'était pas inattendue, la nouvelle de la première détection ayant été diffusée bien au-delà de la communauté scientifique et ému la planète entière, par sa portée qui s'étend bien plus loin que la simple confirmation de l'existence de ces ondes .

Des ondes prévues par Einstein : une compréhension qui va au-delà du sens commun

La théorie de la Relativité Générale, formulée par Einstein exactement un siècle avant la première détection,(cf. L'héritage d'Einstein, 100 ans de relativité générale) s'oppose à la vision newtonienne de la gravitation car elle voit cette interaction pas comme le résultat de forces attractives entre les masses dans un espace plat mais plutôt comme une déformation de l'espace-même causé par toute masse. Ainsi, selon Einstein, en l'absence de forces, les corps ne suivent pas forcément un mouvement inertiel rectiligne, mais un mouvement inertiel courbé par la forme de l'espace-temps. Les deux théories sont conceptuellement extrêmement différentes, toutefois, pour les phénomènes ordinaires, les différences des prévisions physiques de deux visions ne sont pas significatives, et à l'échelle astrophysique elles sont mesurables mais encore petites : pensons à l'effet de lentille gravitationnelle ou à la précession du périhélie de l'orbite des astres. C'est seulement pour les phénomènes les plus extrêmes de l'univers que le traitement relativiste diffère radicalement de celui classique : la collision de corps compacts comme les trous noirs ont permis pour la première fois de tester la théorie d'Einstein à plein régime, et de confirmer avec une précision surprenante ses prédictions (on aurait pu avoir de surprises !). C'est en effet dans les derniers instants de leur mouvement rotatoire que les deux trous noirs émettent le signal le plus intense, en propageant les vagues de déformations de l'espace-temps avec leur mouvement.


une image vaut mille mots ... mais peut être interprétée        de mille manièresFig 1: le signal de la première onde détectée et les phases de la collision correspondantes. [img]. Source :NASA https://apod.nasa.gov/apod/ap160211.html

La faiblesse des interactions de ces ondes : une difficulté…

La nature extrêmement faible de ces ondes (il s'agit de mesurer des variations de distances plus petites que la taille d'un proton sur une longueur de l'ordre du kilomètre) est la raison pour laquelle cette détection a été un énorme défi, qui s'est prolongé sur plusieurs générations de scientifiques, et a concerné des milliers de collaborateurs sur toute la planète. Ce type de détection ne pouvait exister avant la dernière implémentation des interféromètres, auxquels des avancées technologiques transversales dans plusieurs domaines de la physique ont contribué. D'ailleurs le scepticisme, tout comme l'espoir, n'a jamais abandonné les esprits au fil de décennies. Même face à la détection d'août 2015 les scientifiques étaient, dans l'immédiat, incrédules. Rainer Weiss, qui avec Kip Thorne décrivit le premier projet de LIGO en 1972, explique comment la confirmation de l'événement d'août 2015 a été un énorme soulagement, car pour lui, pendant 40 ans, c'était comme avoir singe assis sur ses épaules qui disait : « Comment es-tu es sûr que cela marchera vraiment ? Tu as impliqué une énorme quantité de personnes… et si ça ne marchait jamais ? " (Weiss, 2017 : ici)

…mais un témoin peu altéré de phénomènes très lointains

La même raison physique qui est à l'origine de la faiblesse des ondes gravitationnelles est aussi celle qui les rend incontournables pour comprendre les phénomènes extrêmes qui les produisent, comme les collisions d'astres compacts, les explosions de supernovae, ou l'univers primordial. Or, ces phénomènes sont encore en grande partie inconnus et les théories physiques les plus fondamentales – la relativité générale et la mécanique quantique – se superposent et approchent les limites de leurs domaines de validité. En effet, l'interaction presque inexistante des ondes gravitationnelles avec toute matière rencontrée sur leur chemin, leur permet de parvenir jusqu'à nous en apportant une information intacte – bien que très faible – de leurs sources. À l'inverse les radiations électromagnétiques sont plus facilement observables, mais – puisqu'elles interagissent davantage avec la matière interstellaire - nous ne pourrons jamais observer des événements aussi extrêmes et avec une portée comparable causés par les ondes électromagnétiques. C'est pourquoi les ondes gravitationnelles sont considérées comme bien plus qu'un nouveau type de radiation, elles représentent un nouveau signal qui permettra des avancées prodigieuses dans la compréhension des lois fondamentales qui gouvernent notre univers.



Fig 2: une simulation de la collision des deux trous noirs révélant l'intensité des ondes gravitationnelles. [img]. Source : Gibney, E. (2017).
Dans cette perspective, le prix Nobel est le couronnement d'un épisode fondamental de la physique moderne : la détection d'août 2015 a été la plus grande récompense au travail des milliers de scientifiques impliqués, et en même temps, une intense source de motivation à poursuivre la recherche de ces signaux du cosmos.
Nous renvoyons le lecteur pour plus de détails à : Experimental-Tremplins du 14 sept 2015

Triple détection USA(ouest)-USA(est)-Italie: une localisation plus précise de la coalescence de deux trous noirs

Depuis lors, trois autres détections provenant de collisions de trous noirs ont désormais été confirmées : le 26 décembre 2015, le 4 janvier 2017 et le 14 août 2017. Cette dernière (nommée GW170814 : cf A three-detector observation of gravitational waves from a binary black hole coalescence) ayant été observée par trois interféromètres au lieu que deux (LIGO a deux détecteurs situés en "diagonale" des USA (cf fig 3 ici) et VIRGO en Italie), les scientifiques ont pu calculer la direction de provenance avec plus de précision. D'abord détectée par LIGO à Livingston, en Louisiane, cette déformation de l'espace-temps a produit un infime décalage de la longueur relative des deux bras du détecteur, puis 8 millisecondes plus tard, cette  onde a passé le second détecteur de LIGO à Hanford, dans l'état de Washington, pour être détecté par Virgo en Italie six millisecondes après (cf fig.3). Si cette zone fait encore 300 fois la taille apparente de la pleine lune elle est 10 fois plus petite que ce que la détection avec LIGO seul aurait pu donner.

 
Fig 3: Localisation de la détection du 14 août 2017 On  voit que la triple détection permet une localisation plus précise  [img]. Source :https://apod.nasa.gov/apod/ap170928.html

Des rumeurs ?

De plus les rumeurs laissent deviner d'autres détections survenues pendant le mois d'août dernier, dont une accompagnée de contrepartie lumineuse. Si cela est le cas, il s'agirait de la première détection de collisions d'étoiles à neutrons. Comme nous l'avions déjà cité , ce nouveau type de collisions auront une importance particulière du point de vue de la physique des particules, car il pourrat apporter des informations sur le plasma de particules subatomiques, mais aussi pour la cosmologie, car ces collisions peuvent être utilisées comme « chandelles standard » afin d'étudier l'évolution de l'expansion de l'univers et sa composition. Nous attendons donc avec impatience les nouvelles des prochaines semaines !

La physique moderne en classe ?

Ondes gravitationnelles, relativité, cosmologie, les défis de la physique moderne sont des sujets liés et fascinants, mais encore peu accessibles aux non spécialistes. Le défi d'en faire matière d'un cours pour collégiens a été le point de départ du projet SwissMAP, en occasion du centenaire de la relativité générale. Aujourd'hui il existe un manuel d'introduction à la cosmologie moderne spécifiquement conçu pour les élèves du secondaire II (bientôt édité chez les Presses Polytechniques Universitaires Romandes) ainsi que les séries d'exercices relatives à chaque chapitre, avec corrigés testées et évaluées par des élèves dans les classes genevoises. Le niveau est celui du programme de mathématiques et de physique gymnasial  – entre le « sans formules » pour le grand public et le cours universitaire – et permet de s'immerger dans le sujet tout en maintenant le lien entre le formalisme mathématique et la compréhension physique. Cf. Expériment@l-Tremplins : Peut-on enseigner la relativité générale et la cosmologie moderne au secondaire II ?
  • Gasparini (UniGE, SwissMAP), Cosmologie Moderne et Relativité Générale : Cours pour les élèves du Secondaire II, Genève (2017).
  • A. Gasparini (UniGE, SwissMAP) et A. Müller (UniGE, Didactique de la Physique) Cosmologie Moderne et Relativité Générale : Activités pour les élèves du Secondaire II, Genève (2017).
Tous les documents sont librement disponibles en ligne sur le site web http://nccr-swissmap.ch/education/highschool/GRcourse

Références

Article par Alice Gasparini, Andreas Mueller, avec Laura Weiss et  F.Lombard 

jeudi 21 septembre 2017

La Science Appelle les Jeunes ... aussi ceux de vos classes !


Aider les élèvEs à s'imaginer dans des études scientifiques est aussi notre mission !

Dans le cadre du projet  Plan d'action mathématiques et sciences de la nature (MSN) à Genève, notamment pour améliorer l'enseignement des sciences et corriger le déséquilibre d'attractivité des sciences, les enseignants sont invités  à aider les élèvEs à s'imaginer dans des études scientifiques.
La science appelle les jeunes (SAJ) est une belle opportunité qui leur permet de s'épanouir et de rencontre des autres jeunes passionné-es.

Trois collégiens genevois, étaient mi-septembre  à Lugano pour  la Semaine d'étude « fascination informatique ».  Arion Zimmermann et Wei Jonathan du Collège Calvin ainsi que Amélie Garrido du Collège Sismond: Elle avait été alertée par Expériment@l-Tremplins (ici) qui avait participé aux activité Djangogirls du CERN.
En une semaine elle a développé avec deux autres jeunes un réseau neuronal capable de reconnaitre si une image est un hot-dog (sic! ) ou non. Puis ils ont optimisé les stratégies d'apprentissage du réseau de neurone. 
Ils ont présenté leurs travaux lors d'un colloque final sous forme de posters.
 

Inutile de dire qu'elle revient enthousiasmée, et que sa perception des sciences aussi pour les filles est une évidence qu'il n'y a même plus besoin de dire !
Amélie nous confie :
"C'est une semaine de travail très intense permettant de rencontrer des jeunes ayant les mêmes centres d'intérêt, et des scientifiques [les accompagnants ndlr] montrant très volontiers de quoi est fait leur quotidien et très motivés pour nous guider. Je suis rentrée très enthousiaste après avoir fait un bond en avant dans mes connaissances de programmation.

Un concours et une opportunité de parler de science pour toutes et tous

Le concours national de la Science Appelle les jeunes est ouvert à vos élèves et à toutes les formes de sciences expérimentales et sociales et math.
C'est souvent une belle opportunité de valoriser et poursuivre un bon TM, de rencontrer  d'autres jeunes, …
En parler en classe, distribuer le flyer joint ou  montrer en début de leçon ce qui s'y passe peut aussi aider certain-es élèves à imaginer plus réalistement ce que la science a de passionnant et comment rencontrer d'autres jeunes pourrait être moins austère que certains cours de DF...

Concours National 2017  Les résumés des travaux du Concours 2017.



www.sjf.ch et facebook vidéo


Appel aux scientifiques de demain !

Vous avez eu du plaisir à rédiger votre travail de maturité ou votre travail de fin d'apprentissage ? Vous aimeriez poursuivre son développement, vous faire coacher par des experts et rencontrer d'autres jeunes motivés par la recherche scientifique ? Le Concours national de La Science appelle les jeunes est exactement ce qu'il vous faut !

La fondation La Science appelle les jeunes cherche les meilleurs projets pour le 52e Concours national. Les inscriptions sont ouvertes à tout-e étudiant-e qui a réalisé un projet scientifique innovant et original (par exemple un travail de maturité ou un travail de fin d'apprentissage). Tous les domaines sont acceptés, de la littérature à la physique en passant par la biologie et l'histoire. Chaque jeune ou groupe retenu sera encadré par un-e expert-e pour développer son projet en vue de la finale qui aura lieu fin avril 2018 à Neuchâtel. Les meilleur-e-s seront récompensé-e-s et représenteront la Suisse lors de compétitions scientifiques internationales.

Délai d'inscription : 15 octobre 2017.
Des questions, besoin d'un délai supplémentaire ? N'hésitez pas à contacter Mme Lucie Bovet : lucie.bovet@sjf.ch
Tél. 021 693 00 64

Mise a jour le 12 octobre pour indique deux autres élèves du collège Calvin

lundi 18 septembre 2017

Le boson de Higgs et notre vie : conférence par la directrice générale du CERN mardi 19 septembre


Pour la leçon d'ouverture du semestre d'automne 2017 à l'université de Genève , l'université de Genève a l'honneur de donner la parole à la directrice générale du CERN, Fabiola Giannotti pour uen conférence intitulée  "le boson de Higgs et notre vie."

Chacun sait que l'existence de cette particule a été confirmée au CERN qui travaille en collaboration étroite avec l'université de Genève.

Fig 1: Le boson de Higgs est détecté par sa désintégration en paires de photons gamma de haute énergie qui lui attribuent une masse de environ 1.25 gigaelectonvolts  [img] source CMS/CERN in  Brumfiel, G. (2012).

Pour la physique c'est à la fois un magnifique succès et une sorte de post-partem blues : cette recherche a drivé tout un pan de la physique ...et maintenant ?  Brumfiel, G. (2012). écrit alors "Higgs triumph opens up field of dreams."

Ce qui en est résulté 5 ans plus tard aussi bien pour la recherche que pour notre quotidien 5 ans plus tard sera présenté par Fabiola Gianotti directrice générale du CERN.

A rapt crowd watches as physicists Fabiola Gianotti
      (standing, left), Rolf Dieter-Heuer (right) and Joe Incandela (far
      right) unveil evidence for the Higgs boson.
Fig 1: Un public de connaisseurs assiste à la présentation par Fabiola Gianotti (debout au centre), des résultats confirmant l'existence du boson de Higgs . [img] source  Brumfiel, G. (2012).

Au-delà  des dimensions scientifiques évidentes, cette conférence montre une femme chercheure en physique et peut aider à ébrécher des stéréotypes et aider chacun-e fille ou garçon à envisager les sciences sous un angle positif et peut-être des études en physique à l'Unige.

Fabiola Giannotti : le boson de Higgs et notre vie.

mardi 19 septembre 18h30 UniDufour


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Leçon d'ouverture du semestre d'automne
Chères et chers collègues, 
Pour ouvrir le semestre d’automne, l’Université de Genève a le plaisir d’inviter la directrice générale du CERN, Fabiola Gianotti, à prendre la parole.
Le CERN est une institution majeure dans le domaine des sciences et de la recherche fondamentale ainsi qu’un acteur clé du tissu économique et social de notre région, sans oublier sa mission de promotion du dialogue et de la paix en tant qu’organisation scientifique internationale. Depuis sa création en 1954, de nombreuses collaborations existent entre les scientifiques du CERN et de l’UNIGE autant au niveau de la physique des particules que de la supraconductivité.
En juillet 2012, les physiciens du CERN associés à des chercheurs de l’UNIGE découvraient une nouvelle particule, le boson de Higgs, grâce au grand collisionneur de hadrons (LHC). Cet anneau de 27 km, mis en fonction en 2009 et situé à 100m sous terre, s’étend de part et d’autre de la frontière franco-suisse, près de Genève.
A l’occasion de sa conférence, Fabiola Gianotti abordera l’importance de cette découverte aussi bien pour la recherche que pour notre quotidien. Elle présentera également les principaux aspects de la mission du CERN.
LE BOSON DE HIGGS 
et notre vie 
Uni Dufour, le mardi 19 septembre 2017 à 18h30

Vous trouverez plus d’informations sur cette conférence en cliquant ici.
Cette soirée s’inscrit également dans le cadre de la 13e European Conference on Applied Superconductivity (EUCAS) accueillie cette année par le CERN en collaboration avec l’Université de Genève et le Swiss Plasma Center de l’EPFL.
Je vous invite à vous rendre à cette leçon d’ouverture et je vous remercie de relayer cette information auprès de vos étudiant-e-s lors de vos enseignements lundi et mardi prochains. A cet effet, vous trouverez une image en cliquant ici.
Je profite de ce message pour saluer votre travail, garant de la qualité de notre institution qui est reconnue au niveau mondial. En témoigne par exemple le dernier Nature Index Innovation de la revue Nature qui expose l’impact des recherches académiques sur l’innovation, en se fondant sur la manière dont les articles de recherches sont cités dans les brevets. L’Université de Genève y figure au 21e rang mondial et au 1er rang suisse.
Avec mes salutations les plus cordiales. 
Yves Flückiger
Recteur