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L'ADN inspirera-t-il la spintronique ?

ActualitéClassé sous :physique , biologie , ADN

Un groupe de chercheurs israéliens et allemands a découvert que des molécules d'ADN pouvaient polariser fortement des paquets d'électrons. Ce surprenant effet, qui est peut-être un indice de plus en faveur d'une biologie quantique, est une piste pour utiliser des molécules organiques en spintronique.

Schéma illustrant l'expérience des chercheurs expliquée dans le texte ci-dessus. © Ron Naaman

Pour Ron Naaman, professeur de chimie physique de l'institut Weizmann à Rehovot, en Israël, la découverte qu'il a faite avec des collègues allemands amène une fois de plus à se poser la question du rôle de la mécanique quantique dans les systèmes biologiques. Certes, les atomes, les molécules et les liaisons chimiques ne peuvent être compris sans la mécanique quantique. Mais à une échelle supérieure à celle de l'atome, les biologistes et les généticiens traitent la matière comme si elle n'était plus quantique. Ils emploient donc des images classiques de billes de billards bien localisées dans l'espace et dans le temps, servant de support et de machine à traiter de l'information en accord avec une vision newtonienne de la nature.

Ils ont de bonnes raisons de le faire mais certains se demandent depuis quelque temps si sous la pointe de cet iceberg classique ne se cachent pas des processus profondément quantiques dont la découverte bouleverserait notre vision de la biologie comme la mécanique quantique et la relativité ont bouleversé notre vision de l'astrophysique et de la physique de la matière condensée. On n'en est pas encore là, bien que d'intrigants phénomènes, comme dans le cas de la photosynthèse, sont pointés par différents groupes de recherche depuis quelque temps.

Une molécule chirale

Ron Naaman savait que des molécules biologiques comme l'ADN sont ordinairement considérées comme trop grosses et trop chaudes pour que des effets proprement quantiques, comme la cohérence ou le spin des particules d'un faisceau, puissent se manifester. Toutefois, il savait que des études montraient que des molécules chirales interagissaient de différentes façons selon l'état de spin d'un faisceau de particule. On sait que la chiralité joue un rôle important dans le cas des molécules biologiques et bien qu'il semblait impossible qu'un couplage puisse exister entre le spin des électrons d'un paquet de ces particules et des doubles brins d'ADN, il a voulu savoir ce qu'une expérience donnerait avec ces molécules doublement chirales.

Les résultats qu'il a obtenus avec ses collègues et publiés avec eux il y a quelque temps dans Science se sont révélés spectaculaires et surprenants.

Erwin Schrödinger a été un des premiers à spéculer sur le rôle de la mécanique quantique au niveau du support de l'hérédité. © The Nobel Foundation

Les chercheurs ont commencé par fixer un composé sulfuré aux extrémités de doubles brins d'ADN pour pouvoir les fixer en rangs serrés sur une plaque d'or. Ensuite, un faisceau laser polarisé a été envoyé sur cette plaque pour extraire des électrons par effet photoélectrique. Alors que les électrons éjectés n'étaient pas polarisés, c'est-à-dire que leurs spins pointaient dans des directions aléatoires, leur passage à travers la forêt d'ADN a montré que celle-ci se comportait comme un excellent filtre polarisant, d'autant plus que les brins étaient longs. Ainsi, un double brin comportant 80 paires de bases produisait une polarisation de 60 % des spins des électrons. L'effet est considérablement plus important que dans le cas du passage d'un faisceau d'électrons dans un gaz de molécules chirales.

Un phénomène mal compris

L'explication du phénomène n'est pas claire. Il pourrait bien sûr s'agir d'un effet similaire à celui observé avec la polarisation de photon, causée par la diffraction avec des molécules de certains cristaux liquides. Dans le cas présent, ce serait l'espacement régulier des brins d'ADN à la surface de plaque en or qui jouerait un rôle à celui d'un cristal. Mais il pourrait aussi bel et bien s'agir d'un effet quantique propre à chaque brin d'ADN, ce qui serait bien plus intéressant.

En tout état de cause la découverte pourrait avoir des conséquences dans le domaine de la spintronique développée par des chercheurs comme Albert Fert. En particulier, si la chiralité de l'ADN joue effectivement un rôle important dans le phénomène observé, on peut penser que d'autres molécules organiques chirales pourraient être employées pour faire des dispositifs en spintronique. C'est en effet la capacité à manipuler le spin et non plus seulement la charge des électrons qui est centrale pour de tels composants de cette électronique du futur.

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