Comme toutes les cultures alimentaires, les fèves (qui sont une partie nutritive du régime de nombreuses cultures) avaient un ancêtre à l’état sauvage. Bien qu’on considère généralement que la fève sauvage n’existe plus, des chercheurs de l’Institut Weizmann ont récemment identifié des vestiges de graines d’il y a 14.000 ans qui offrent d’importantes informations sur la période et sur l’endroit où ces plantes croissaient de manière naturelle.

Comprendre l’écologie de l’environnement de ces plantes sauvages, et l’évolution qu’elles ont subi au cours de leur domestication, est très important pour améliorer la biodiversité de cette plante moderne. Les résultats ont été publiés dans la revue Scientific Reports.

La docteure Elisabetta Boaretto, qui dirige le service de ‘datation des changements culturels’ du Max- Planck-Weizmann Center for Integrative Archaeology and Anthropology, et la docteure Valentina Caracuta, qui a fait son postdoctorat dans le groupe de la docteure Boaretto (et qui fait actuellement des recherches à l’université de Salento, en Italie) ont, il y a quelques temps, montré que des graines de fèves d’il y a 10.200 ans, découvertes dans trois sites archéologiques en Basse Galilée, étaient les plus anciennes graines de fèves jamais domestiquées.

La nouvelle découverte – des graines de fèves provenant du site archéologique el-Wad, situé sur le mont Carmel, au nord d’Israël – provient des niveaux les plus anciens d’une fouille effectuée par les professeurs Mina Evron et Daniel Kaufman, avec le docteur Reuven Yeshurun, tous de l’université de Haïfa. Les êtres humains qui vivaient à cette époque, les Natoufiens, étaient des chasseurs-cueilleurs qui laissaient les plantes continuer leur croissance sauvage.

La docteure Boaretta et la docteure Caracuta ont utilisé la datation par radiocarbone et l’analyse par microtomographie aux rayons X de morceaux de graines conservées afin de connaître leur âge et de pouvoir les identifier comme les ancêtres des grains de fèves modernes. La docteure Boaretta explique : « Il y a de cela 11.000 à 14.000 ans, les habitants de cette région ont domestiqué les fèves à peu près à l’époque où, beaucoup plus au nord, d’autres domestiquaient le blé et l’orge. » Dans le monde entier, on mange les fèves, qui sont des légumineuses nutritives et, dans certains endroits, elles servent de nourriture pour les bêtes, et aussi fixent l’azote dans le sol. La docteure Boaretta ajoute : « Comprendre comment cette plante a été adaptée à l’habitat du Carmel, il y a 14.000 ans, peut nous aider à comprendre comment développer des variétés modernes qui pourront le mieux possible résister aux maladies et supporter les stress de l’environnement. »

Cette recherche est financée par: Max Plank-Weizmann Center for Integrative Archaelogy and Anthropology « Timing of Cultural Changes », et par la Exilarch Foundation for the Dangoor Research Accelerator Mass Spectometer. L’échantillon de fève sauvage a été daté par Dangoor Research Accelerator Mass Spectometer (D-REAMS) à l’Institut Weizmann des Sciences.

Comment mettre au point un cocktail parfait

Les traitements par cocktails comme ceux qui sont utilisés pour les traitements des cancers, de même que les boissons alcooliques qu’on trouve dans les bars, sont meilleurs lorsque les ingrédients sont mélangés dans les bonnes proportions. Comme les cocktails que l’on boit pour le plaisir, la combinaison des ingrédients peut être meilleure que la somme de ses parties, mais elle peut aussi avoir des effets secondaires désagréables. Un nouveau modèle développé dans le groupe du professeur Uri Alon, du département de Biologie moléculaire de la cellule à l’Institut Weizmann, pourrait aussi simplifier le processus d’identification des mélanges optimaux pour les cocktails de médicaments, même lorsqu’il est nécessaire d’utiliser un grand nombre d’ingrédients.

Les cocktails de médicaments, autant les antibiotiques que les anticancéreux, sont de plus en plus utilisés, entre autres du fait que l’attaque simultanée de cellules pathogéniques à l’aide de plusieurs méthodes différentes peut réduire le risque de résistance aux médicaments. Les médecins et les entreprises pharmaceutiques s’intéressent aux progrès de la mixologie (nouveau terme utilisé pour l’art de faire des cocktails). La mixologie peut, en effet, aider à mettre au point de nouvelles applications pour les médicaments existants, car le développement de nouvelles spécialités est très onéreux, et il faut longtemps pour qu’ils arrivent sur le marché.

Mais additionner simplement différents médicaments n’a pas toujours pour résultat le total de leurs effets. Un médicament peut, par exemple, provoquer dans une cellule l’éveil de mécanismes qui ont pour effet de pomper les autres médicaments vers l’extérieur de la cellule, provoquant ainsi un changement dans la dose efficace des autres médicaments. Inversement, des effets secondaires peuvent s’additionner, et les chercheurs préfèrent donc souvent identifier la dose efficace minimale de chaque médicament. Avec quatre ou même plus de médicaments qui sont généralement réunis dans les cocktails de chimiothérapie, le nombre de combinaisons et de doses possibles est énorme. Il serait impossible de les tester toutes pour arriver au mélange optimal. Cet obstacle est connu comme le problème de l’explosion combinatoire.

Les étudiants Anat Zimmer et Itay Katzir, qui ont mené cette recherche, expliquent qu’à cause du problème de l’explosion combinatoire, les cocktails de médicaments sont souvent élaborés sans qu’on ait aucune possibilité de prédire le résultat final. Zimmer, Katzir et Alon ont développé une méthode qui contourne la nécessité de prendre un nombre astronomique de mesures. Cette méthode exige seulement un petit nombre de mesures à prendre sur des couples de médicaments.

Les tests sont menés sur des cellules cancéreuses humaines ou sur des bactéries cultivées en laboratoire. Le groupe a testé chaque médicament, séparément et par paires, pour comprendre les effets dus à plusieurs doses différentes. Ceci a permis aux chercheurs de déterminer comment un médicament A agit sur B, et vice-versa. Les nouveaux modèles mathématiques que le groupe a développés ont été extrapolés pour prédire les interactions entre trois, quatre ou même plus de médicaments combinés. Des tests menés par la suite ont montré que ce modèle réussit mieux que les méthodes existantes qui affrontent le problème de l’explosion combinatoire. Il s’ensuit que les chercheurs qui utilisent ce modèle ne devraient pas avoir besoin de tester chaque combinaison possible pour arriver aux doses optimales des cocktails de médicaments.

Itay Katzir explique : « Il y a un besoin urgent de méthodes capables de prédire comment les cocktails de médicaments agiront. Ce modèle pourrait diminuer sensiblement le travail long et coûteux effectué au hasard. »

Anat Zimmer ajoute : « Ce modèle pourrait se montrer particulièrement utile pour la médecine personnalisée, par exemple dans le cas de cancer, parce que chaque tumeur peut réagir de manière différente aux mêmes médicaments. Il offre un moyen de mélanger un cocktail optimal sans qu’on ait besoin d’essayer toutes les combinaisons possibles. »

La recherche du professeur Uri Alon est financée par : Benoziyo Endowment Fund for the Advancement of Science; David and Fela Shapell Family Foundation INCPM Fund for Preclinical Studies; Jeanne and Joseph Nissim Foundation for Life Sciences Research; Foundation Fund; Katy and Gary Leff, Calabasas, CA; Dr. Miriam Netzer, Forest Hills, NY. Le professeur Uri Alon est titulaire de la Abisch-Frenkel Professorial Chair.

Cristallisation

La cristallisation est un processus chimique fondamental, que même les écoliers peuvent voir de leurs yeux. Mais jusqu’à présent, le monde scientifique n’a pas pu observer ce processus au niveau moléculaire, c’est-à-dire au moment auquel les molécules surmontent leurs tendances à flotter individuellement dans une solution liquide, et prennent leur place dans le réseau rigide d’une structure cristalline solide. Des chercheurs de l’Institut Weizmann ont, pour la première fois, observé directement les processus de cristallisation au niveau moléculaire, confirmant différentes théories récentes sur la cristallisation, et montrant aussi qu’en comprenant comment les cristaux commencent à se former, on peut en prédire la structure finale.

Cette recherche a été menée dans le laboratoire du professeur Ronny Neumann du département de Chimie organique de l’Institut Weizmann. Le professeur Neumann explique que, pour se lier les une aux autres, les molécules doivent surmonter une barrière d’énergie : « La théorie prédominante était que des contacts occasionnels entre les molécules mènent à une liaison, créant finalement de petits agrégats qui deviennent des noyaux permettant aux cristaux plus grands de se développer. Mais les molécules, qui se développent au hasard dans une solution, doivent être alignées correctement pour pouvoir se cristalliser. Ces dernières années, les chercheurs sont arrivés à la conclusion que ces processus présentent une barrière d’énergie trop haute. » Les théories proposées depuis quelques dizaines d’années suggèrent que si les molécules devaient se réunir en une sorte de phase dense dans laquelle elles s’agrègeraient comme des sardines, s’unissant sans être organisées, puis à partir de cet état elles se cristalliseraient, la barrière d’énergie serait plus basse. Pour expérimenter ces théories, le professeur Neumann et le doctorant Roy Schreiber ont créé de grandes molécules rigides qu’ils ont immobilisées sur place en solution. Ils ont ensuite placé la solution immobilisée sous un rayon de microscope électronique qui a réchauffé le mélange juste assez pour permettre un minimum de mouvement, et donc des interactions entre les molécules. Régler la composition de la solution en ajoutant différents ions a permis aux chercheurs de produire la cristallisation avec et sans phases denses. Pour la première fois, avec l’aide des docteurs Lothar Houben et Sharon Wolf, de l’Unité de microscopie électronique, ils ont réussi à observer la formation de phases denses et par la suite leur transformation en noyaux de cristal.

Alors que les deux états produisaient des cristaux, les résultats expérimentaux ont montré que lorsque des phases denses se forment, la barrière d’énergie à la formation d’un agencement cristallin de molécules est plus basse, comme le prédit la théorie.

Les chercheurs ont alors découvert que la croissance se formant à partir de phases denses résultent en noyaux de cristal plus grands et plus stables. De plus, ils ont découvert que la disposition de molécules en cristaux bien développés qu’ils ont observés en utilisant la cristallographie aux rayons X, avec l’aide du docteur Gregory Leitus, du Service de soutien à la recherche chimique, correspondait avec celui des petits agrégats n’ayant que peu de molécules dans les noyaux originaux. Le professeur Neumann explique : « Ceci signifie que les forces et les facteurs qui déterminent le processus sont constant pendant toute la croissance du cristal. »

Il ajoute : « Nous avons réellement observé un événement élémentaire dans le monde de la chimie. En effet, les découvertes nous mènent aussi vers de nouvelles questions dans ce domaine, vers l’étude des effets et de l’importance des phases denses sur la réactivité chimique. »

Ont aussi participé à cette recherche les membres d’un groupe sous la direction du professeur Josep Poblet, du docteur Jorge Carbó, et de Zhong- Ling Lang, étudiant de Ph.D. de l’université de Rovira i Virgili, Tarragona (Espagne), qui ont participé aux calculs du mouvement des molécules dans un solution.

La recherche du professeur Ronny Neumann est financée par Dana et Yossie Hollander (Israël), et par le Bernice and Peter Cohn Catalysis Research Fund. Le professeur Neumann est titulaire de la Rebecca and Israel Sieff Professorial Chair of Organic Chemistry.