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Communiqués de presse
Contrôle du spin des électrons pour la décomposition efficace de l’eau
Une méthode qui pourrait ouvrir la voie à la production d’hydrogène obtenu par énergie solaire comme carburant

L’eau est composée d’oxygène et d’hydrogène, et la dissociation des molécules d’eau pour la production de l’hydrogène pouvant servir de carburant ouvre une voie prometteuse à une énergie alternative. Un des principaux obstacles empêchant la production de l’hydrogène est le fait que les méthodes actuelles de dissociation de l’eau provoquent aussi la formation de peroxyde d’hydrogène, ce qui affecte à la fois l’efficacité de la réaction et la stabilité du processus de production. Les chercheurs israéliens et hollandais de l’Institut Weizmann et de l’Université technique d’Eindhoven ont réussi à supprimer presque entièrement la production de peroxyde d’hydrogène grâce au contrôle du spin des électrons dans la réaction. Leur groupe vient de publier ces découvertes dans le Journal of the American Chemical Society. La production efficace de l’hydrogène ouvre la voie à l’utilisation de l’énergie solaire pour la décomposition de l’eau.

Le but est de produire de l’hydrogène avec des cellules photoélectrochimiques solaires, en utilisant la lumière pour décomposer l’eau. Jusqu’à présent, la séparation des molécules d’eau était relativement inefficace ; en effet, lorsque le peroxyde d’hydrogène se forme comme un sous-produit, il corrode une partie des électrodes, réduisant ainsi encore plus l’efficacité de cette opération.

Spin des électrons
Les chercheurs, sous la direction des professeurs Ron Naaman, de l’Institut Weizmann, et Bert Meijer de l’Université technique d’Eindhoven, ont été les premiers à étudier en particulier le rôle du spin (le champ magnétique interne) des électrons impliqués dans ces réactions chimiques fondamentales basées sur l’oxygène. Ils ont formulé l’hypothèse que si les deux spins pouvaient être alignés, la formation du peroxyde d’hydrogène ne pourrait pas se faire car l’état non excité du peroxyde d’hydrogène a besoin de deux électrons ayant des spins opposés. L’oxygène, au contraire, est produit lorsque les électrons ont des spins parallèles.

Des prévisions qui ont été surpassées
Le secret du succès a été l’utilisation de la couleur : les chercheurs ont recouvert un des électrodes des cellules photoélectrochimiques (l’anode d’oxyde de titane) d’une peinture organique contenant des structures supramoléculaires chirales (molécules qui sont des images les unes des autres) de peinture organique. Ces structures particulières ont permis aux chercheurs d’injecter dans la réaction chimique uniquement des électrons dont les spins sont alignés dans une certaine direction. Ces travaux se sont basés sur de précédentes découvertes du groupe du laboratoire du professeur Naaman, qui montrent que la transmission des électrons à travers des molécules chirales est sélective car elle dépend des spins des électrons. Le professeur Naaman explique : « L’effet sur la décomposition de l’eau a dépassé notre attente : la formation du peroxyde d’hydrogène avait été complètement éliminée, et nous avons vu aussi une augmentation remarquable du courant de la cellule. Du fait que les molécules chirales sont très courantes dans la nature, nous avons l’espoir que cette trouvaille jouera un rôle important dans un grand nombre de domaines de recherche. »

Les chercheurs ne peuvent pas encore dire avec certitude à quel point cette découverte peut améliorer l’efficacité de la production de l’hydrogène. Le professeur Meijer explique : « Nous avions pour but de réussir à contrôler la réaction et de comprendre avec précision ce qui se passe. D’une certaine manière, cela a été un coup de chance parce qu’à l’origine les structures supramoléculaires n’étaient pas destinées à aller dans cette direction. Cela montre à quel point la chimie supramoléculaire joue un rôle fondamental dans la recherche, et nous cherchons maintenant à améliorer ce processus. »

La recherche du professeur Ron Naaman est financée par : Benoziyo Endowment Fund for the Advancement of Science; Nancy and Stephen Grand Research Center for Sensors and Security; Rothschild Caesarea Foundation; Weston Nanophysics Challenge Fund; the Estate of Olga Klein Astrachan. Le professeur Naaman est titulaire de la Aryeh and Mintzi Katzman Professorial Chair.

Maintenir la pression
Un nouveau mécanisme semble capable de réguler la réaction chronique au stress

En plus de la réaction classique au stress (réaction aigue qui s’atténue graduellement lorsque la menace s’éloigne), notre corps semble avoir un mécanisme séparé qui concerne uniquement le stress chronique. Ces découvertes faites à l’Institut Weizmann des Sciences, récemment publiées dans la revue Nature Neuroscience, pourraient ouvrir la voie à de meilleurs diagnostics de l’anxiété et de la dépression, et à leur traitement.

Le docteur Assaf Ramot, chercheur postdoctoral dans le groupe du professeur Alon Chen, du département de Neurobiologie de l’Institut Weizmann, a mené cette recherche en localisant un petit groupe de cellules nerveuses jusqu’à présent inconnu, situé dans le noyau paraventriculaire (PVN) à l’intérieur de l’hypothalamus, partie du cerveau dont le rôle est de réguler de nombreuses réactions du corps. La position de ces cellules dans le noyau paraventriculaire a mené les chercheurs à l’idée que ces cellules nerveuses jouent un rôle dans la réaction au stress.

Le professeur Chen explique que dans la réaction au stress bien connue, le neurotransmetteur CRF se libère du PVN et passe dans l’hypophyse. Celle-ci libère des hormones qui font que la glande surrénale inonde le système sanguin avec le cortisol, ‘hormone du stress’. Le cortisol, agissant avec la réaction régulière du stress, abaisse la production du CRF, provoquant ainsi une boucle de rétroaction négative dans laquelle le mécanisme ralentit, puis s’arrête.

Les cellules nerveuses récemment découvertes expriment un récepteur, CRFR1, sur leurs parois extérieures, ce qui leur permet de percevoir le message du neurotransmetteur CRF. Les expériences ont montré que chez les souris le cortisol augmente réellement le nombre de récepteurs CRFR1 sur ces cellules nerveuses, ce qui indique un feedback positif qui pourrait se renouveler automatiquement plutôt qu’être atténué.

En menant leur recherche avec le groupe du professeur Nicholas Justice à l’Université du Texas (Houston), le professeur Chen, le docteur Ramot et leur groupe ont d’abord caractérisé cette population particulière de cellules nerveuses, les marquant à l’aide de protéines fluorescentes dans le cerveau de souris génétiquement modifiées. Lorsqu’ils ont ôté les glandes surrénales de ces souris, et empêché de cette manière la production de cortisol, les récepteurs n’ont pas apparu sur les parois cellulaires du noyau paraventriculaire (PVN), alors que l’injection d’hormones de stress synthétiques les font apparaître et recommencer la réaction en chaîne.

Les chercheurs ont ensuite posé la question de savoir quand et comment le cycle CRFR1 est déclenché. Ils ont comparé des souris génétiquement modifiées pour ne pas avoir de récepteur, avec un groupe de contrôle, et ils les ont exposées à différentes sortes de stress, testant ensuite les hormones de leur sang. Lorsque les souris ont ressenti un stress aigu, les deux groupes ont réagi de manière identique, et leurs niveaux d’hormones ont aussi été identiques. Mais pour les facteurs de stress chronique, les résultats ont été différents : les souris génétiquement modifiées sont restées plus calmes et ont abaissé les niveau de l’hormone similaire au cortisol.

Le docteur Ramot explique : « En d’autres termes, le système CRFR1 est un système séparé qui a évolué pour s’occuper de stress chronique. » Et le professeur Chen ajoute : « Certaines recherches ont montré que les patients souffrant de dépression ont une quantité de ce récepteur plus grande que la moyenne, ce qui suggère d’autres pistes de recherches et même des moyens de traiter à l’avenir des maladies ayant pour origine un stress chronique. »

La recherche du professeur Alon Chen est financée par : Carl and Micaela Einhorn-Dominic Center for Brain Research, qu’il dirige; Nella and Leon Benoziyo Center for Neurosciences, qu’il dirige; Norman and Helen Asher Center for Brain Imaging, qu’il dirige; Henry Chanoch Krenter Institute for Biomedical Imaging and Genomics; Perlman Family Foundation, Founded by Louis L. and Anita M. Perlman Irving Bieber, M.D. and Toby Bieber, M.D. Memorial Research Fund; Adelis Foundation; Appleton Family Trust; Mr. and Mrs. Bruno Licht (Brésil); et Ruhman Family Laboratory for Research in the Neurobiology of Stress.

Comment l’analyse des gènes permettra de mieux comprendre le fonctionnement du foie

Le contrôle de l’expression génique de 20.000 gènes se trouvant dans 1.500 cellules révèle un grand nombre d’activités différentes

Quelqu’un qui se lève le matin plein d’énergie et sent que son cerveau est bien clair, peut remercier son foie pour avoir produit du glucose avant l’heure du petit déjeuner. Parmi une foule d’autres fonctions essentielles, le foie nettoie le corps des toxines et produit la majeure partie des protéines porteuses dans le sang. Dans une recherche récemment publiée dans la revue Nature, des chercheurs de l’Institut Weizmann ont montré que la capacité multitâche du foie est due, au moins en partie, à une division habile du travail parmi les cellules.

Chaque lobule hépatique, microscopique et de forme hexagonale, ressemble à des couches d’oignons concentriques. En dressant la carte de l’activité des gènes dans toutes les cellules d’un lobule du foie, le docteur Shalev Itzkovitz, du département de Biologie moléculaire de la cellule à l’Institut Weizmann, a montré, avec son groupe de recherche, que chacune de ces couches accomplit différentes tâches. Le docteur Itzkovitz explique: « Nous avons découvert que les cellules du foie peuvent être divisées en au moins neuf types différents, chacun se spécialisant dans une tâche particulière. »

Les chercheurs ont aussi découvert, par exemple, que la synthèse du glucose, de facteurs de coagulation du sang et de différentes autres substances, prend place dans les couches extérieures du lobule du foie. Le docteur Itzkovitz explique: « Ces couches sont riches en oxygène, nécessaire pour alimenter ces coûteux processus de synthèse.

Les couches internes des lobules du foie se sont révélées comme étant les sites où les toxines et d’autres substances sont décomposées. Les couches intermédiaires se sont aussi révélées comme ayant leurs propres fonctions, plutôt que servir simplement de zones de transition. Les chercheurs ont trouvé, par exemple, que les cellules se trouvant dans ces couches fabriquent l’hormone hepcidine qui régule les niveaux du fer dans le sang.

Les chercheurs ont aussi découvert que certains processus, comme la production de la bile, se font à travers plusieurs couches différentes, ce qui ressemble à une chaîne de production.

Ces découvertes sont apparues lorsque les chercheurs ont créé un atlas spatial de l’expression des gènes pour toutes les cellules du foie, le premier dans son genre pour cet organe. Avec le professeur Ido Amit, du département d’Immunologie de l’Institut Weizmann, le groupe du docteur Itzkovitz a analysé les génomes de 1.500 cellules individuelles du foie, en établissant les modalités d’expression pour environ vingt mille gènes dans chaque cellule. En même temps, ils ont visualisé un tissu de foie intact, localisant des molécules d’ARN messager individuelles à l’aide d’un microscope à fluorescence, ceci en utilisant une méthode développée par le docteur Itzkovitz et ses collègues. Des algorithmes particuliers ont alors permis aux chercheurs d’établir à la fois l’expression du gène dans chaque cellule et la localisation de ces cellules dans le lobule du foie. Ils ont découvert que plus de la moitié des 7.000 gènes exprimés dans le foie ont une activité différente d’une couche à l’autre, chiffre qui est environ dix fois plus grand que celui qui était estimé jusqu’à présent.

Cette analyse approfondie de l’expression du gène pourrait aider à mieux comprendre l’origine et l’évolution des maladies du foie, comme par exemple le cancer du foie et la stéatose hépatique (maladie du foie gras) d’origine non alcoolique qui touche environ un cinquième de la population dans les pays développés. Par ailleurs, l’approche développée dans cette nouvelle recherche pourrait désormais être appliquée à l’expression de la carte génétique dans toutes les parties de l’organisme.

Le groupe qui a participé à cette recherche comprenait : les docteurs Keren Bahar Halpern, Beata Toth, Doron Lemze and Andreas E. Moor, tous postdoctorants ; les doctorants Rom Shenhav, Matan Golan, Efi Massasa, Shaked Baydatch, Shanie Landen et Avigail Stokar-Avihail, du département de Biologie moléculaire de la cellule ; les doctorants Orit Matcovitch-Natan, Amir Giladi et Eyal David, du laboratoire du professeur Amit dans le département d’Immunologie, et le docteur Alexander Brandis du Centre d’installations pour les recherches sur les sciences de la vie à l’Institut Weizmann.

La recherche du docteur Shalev Itzkovitz est financée par : Henry Chanoch Krenter Institute for Biomedical Imaging and Genomics; Rothschild Caesarea Foundation; Cymerman- Jakubskind Prize; et par le Conseil Européen de la Recherche. Le docteur Itzkovitz est titulaire de la Philip Harris and Gerald Ronson Career Development Chair.

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