Une vue d'artiste du comportement quantique de la gramicidine. © Armin Shayeghi, University of Vienna

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Biologie quantique : un antibiotique se comporte comme une onde de matière

ActualitéClassé sous :physique , phthalocyanine , onde de matière

Les physiciens cherchent à comprendre où se situe la frontière entre le monde de la physique quantique et celui de la physique classique. Cette question est particulièrement intéressante en biologie. Récemment, des interférences quantiques ont été produites avec des molécules d'un antibiotique constitué de 15 acides aminés.

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La découverte en 1926 de l'équation de Schrödinger décrivant des ondes de matière associées à des particules constituant des systèmes physiques, par exemple des molécules ou des cristaux, a rapidement permis de percer les secrets de base des liaisons chimiques entre atomes. En effet, dès 1927, Walter Heitler et Fritz London ont rendu compte avec cette équation de l'existence de la molécule d'hydrogène diatomique, ouvrant la voie au développement de la chimie quantique au cours des années suivantes, voie dans laquelle des découvertes importantes vont être accomplies par Robert S. Mulliken, Linus Pauling et bien d'autres chercheurs.

Il n'y a donc pas de doute que des protéines ou l'ADN, la molécule de la vie, doivent leur existence à la mécanique quantique. Pourtant, la majorité des biologistes et des biophysiciens traitent des cellules vivantes et des molécules qui les constituent comme des objets relevant de la physique classique et pas quantique. Pour eux, rien ne montre dans les phénomènes vivants les bizarreries du monde quantique, où les particules n'en sont pas vraiment, et pas plus des ondes si on entend par ces mots des objets qui se comportent en tout point comme des billes de billard ou des vagues à la surface de l'eau.

Depuis quelques décennies, il existe pourtant des travaux et des faits expérimentaux qui suggèrent qu'il y a peut-être derrière les phénomènes vivants un iceberg caché de phénomènes quantiques. On spécule même sur leurs rôles dans l'apparition de la conscience. Toujours est-il que dans cette perspective, où il existerait donc une véritable biologie quantique, il se pose le problème de savoir à partir de quand la description classique de la physique émerge. Souvent, on fait intervenir la taille d'un système physique mais il faut bien avouer que la question du passage du quantique au classique n'est pas très bien définie. S'il est certain qu'une bille de billard ou un Homme ne se comporte pas comme une onde de matière quantique à la façon des électrons, on ne comprend pas exactement quand ni pourquoi un objet est suffisamment gros pour échapper dans la vie de tous les jours à l'équation de Schrödinger.

Pour leur expérience, les physiciens ont généré à l'aide d'un laser (en bleu) un faisceau moléculaire de gramicidine. © Armin Shayeghi, University of Vienna

Des franges d'interférence avec des grosses molécules biologiques

Pour tenter d'y voir plus clair quand on ne comprend pas théoriquement quelque chose, c'est souvent une bonne idée d'arrêter de spéculer et de faire des expériences pour trancher des questions ou découvrir des informations supplémentaires qui vont guider les progrès théoriques. Les physiciens réalisent donc des expériences avec des objets de différentes tailles pour voir s'ils gardent ou non un comportement quantique. Souvent, il s'agit de voir si l'on peut continuer à obtenir des figures de diffraction ou d'interférence avec ces objets, analogues à celles que l'on obtient, par exemple, avec des électrons dans la célèbre expérience de Feynman.

C'est précisément ce qu'a fait une équipe internationale de chercheurs menée par des physiciens de l'université de Vienne, comme elle l'explique dans un article paru dans Nature Communications. Ils ont obtenu des franges d'interférence dans un interféromètre de type Talbot-Lau avec des molécules de gramicidine, un antibiotique naturel composé de 15 acides aminés.

Pour obtenir ce résultat, il fallait trouver un moyen de produire un faisceau de molécules de gramicidine ultrafroides sans détruire, lors de l'opération, ces fragiles molécules. Pour cela, les chercheurs ont utilisé de courtes impulsions laser pour détacher ces molécules initialement déposées sur un disque en rotation, comme le montre le schéma ci-dessus.Elles sont alors emportées et propulsées par un faisceau d'atomes d'argon se déplaçant à 600 m/s.

La théorie quantique nous dit ensuite que la molécule de gramicidine doit exhiber un comportement ondulatoire, comme si elle était un grain de lumière associé à une longueur d'onde de 350 femtomètres (1 femtomètre fait 10-15 mètres). C'est bien ce qu'ont constaté les chercheurs en obtenant des franges d'interférence avec la gramicidine.

Ce faisant, leurs travaux ouvrent la voie à d'autres études des propriétés quantiques des biomolécules. Il pourrait être fascinant de démontrer l'existence de comportements quantiques pour des enzymes, de l'ADN, voire des virus comme il a été proposé de le faire il y a des années déjà.

Le physicien Jim Al-Khalili sur un sujet fascinant : la biologie quantique pourra-t-elle apporter une réponse aux grandes questions de la vie ? © TEDx

  • Connue depuis des lustres, la dualité onde-corpuscule est mise en évidence par l'apparition de franges dans des expériences de diffraction ou d'interférence. Obtenu d'abord avec des particules, le phénomène a été reproduit avec des atomes puis des molécules.
  • Les physiciens cherchant à comprendre où se situe la frontière entre le monde de la physique quantique et celui de la physique classique peuvent utiliser ce genre d'expérience. Cette question est particulièrement intéressante en biologie, là ou a priori on pourrait penser que n'existent que des phénomènes relevant de la physique classique.
  • Mais récemment, des interférences quantiques ont été produites avec des molécules d'un antibiotique constitué de 15 acides aminés, la gramicidine. La technique de mesure utilisée ouvre la voie à d'autres expériences similaires avec des enzymes, de l’ADN, voire des virus.
Pour en savoir plus

En vidéo : record de masse pour des interférences quantiques de molécules

Article de Laurent Sacco publié le 04/04/2012

Connue depuis des lustres, la dualité onde-corpuscule est mise en évidence par l'apparition de franges d'interférence dans des expériences de diffraction. Obtenu d'abord avec des particules, le phénomène a été reproduit avec des atomes puis des molécules. Aujourd'hui, un film montre des franges d'interférence générées par une grosse molécule organique, la phtalocyanine, et visibles en microscopie optique. Un record qui éclaire la frontière entre le monde de la physique quantique et celui de la physique classique.

C'est le Français Louis de Broglie qui le premier a eu l'idée que les particules de matière, comme l'électron ou le proton, devaient avoir un aspect ondulatoire associé. Inspiré par la théorie des photons d'Einstein, impliquant que les ondes électromagnétiques étaient aussi constituées de quanta d'énergie, il avait étendu à la matière la dualité onde-corpuscule mise en évidence dans le cas de la lumière par le père de la théorie de la relativité. Pour de Broglie, de même que des ondes lumineuses pouvaient se manifester sous forme de rayons lumineux, les trajectoires des électrons dans un tube de Crookes pouvaient cacher une dynamique ondulatoire sous-jacente. Il revint à Schrödinger de trouver l'équation gouvernant cette dynamique ondulatoire cachée et à Davisson et Germer de prouver que les ondes de matière de Louis de Broglie étaient bien réelles, en produisant des figures de diffraction avec un faisceau d'électrons en 1927.

Des décennies plus tard, les progrès de la technologie ont permis de réaliser des films montrant les impacts individuels d'électrons dans des expériences d'interférence et de diffraction. Ces vidéos exposaient de manière frappante la dualité onde-corpuscule des ondes de matière : l'accumulation de plus en plus dense d'impacts sur l'écran du dispositif faisait naître les franges d'interférences prédites par une théorie purement ondulatoire.

Des extraits du film ci-dessous réalisé avec la technique de microscopie en fluorescence montrant des franges d'interférences produites par un réseau de diffraction. Les franges mesurent environ 0,1 mm d'épaisseur. Ces extraits en temps réel correspondent pour les premières images à 2,20 minutes puis 40 (d) et enfin 90 (e). © Juffmann et al.

Des figures similaires ont été obtenues avec des photons. Dans les deux cas, aux limites expérimentales actuelles, électrons et photons sont des particules ponctuelles, contrairement aux protons et neutrons qui ont une extension spatiale. Néanmoins, il est possible d'obtenir des figures d'interférence et de diffraction avec des neutrons et des protons. Mieux, dès 1930, Stern et Estermann prouvaient qu'il était aussi possible de le faire avec des molécules d'hydrogène. Or, si le monde quantique est bien au fondement de la réalité physique, le monde classique à notre échelle ne lui ressemble pas. Comment et où s'effectue la transition entre les deux mondes, quantique et classique ? On peut invoquer un critère de taille : le monde quantique serait celui des objets aux dimensions d'atomes, le monde classique serait celui des objets formés d'un très grand nombre d'atomes. Mais ce critère a des limites. La supraconductivité est un phénomène foncièrement quantique et pourtant on l'observe aisément à l'échelle macroscopique.

Explorer la frontière entre mondes quantique et classique

Pour mieux explorer et comprendre ce passage du monde quantique au monde classique, avec par exemple le phénomène de décohérence, on peut expérimenter sur des objets qui, bien que microscopiques, sont tout de même de grande taille comparativement à un atome d'hydrogène. C'est sans doute l'une des raisons qui poussent les chercheurs depuis des années à tenter des expériences de diffraction et d'interférence avec des molécules de plus en plus grosses.

La vidéo en accéléré montrant les impacts individuels de molécules de phthalocyanine. © QuantumnanoVienna

Un groupe de chercheurs vient justement de battre un record tout à la fois de taille et de masse avec des faisceaux moléculaires diffractés par un réseau. Comme il est exposé dans un article publié dans Nature Nanotechnology, ils ont obtenu des franges d'interférences avec des molécules de phthalocyanine, un colorant, et leurs dérivés. Les masses des molécules employées sont comprises entre 514 et 1.298 masses atomiques.Le film a été réalisé à l'aide d'un microscope optique à fluorescence. On peut y voir l'arrivée de molécules individuelles et la formation de leurs impacts sur un écran, localisés à 10 nanomètres près. On remarque qu'ils se répartissent suivant les lois de la physique ondulatoire et l'on assiste à la formation des franges d'interférences. Elles deviennent de plus en plus nettes au cours du temps, tendant vers l'aspect continu de la physique classique de la diffraction des ondes par un réseau. Le réseau employé pour diffracter les ondes de matière a été tracé dans une membrane de nitrure de silicium de 10 nanomètres d'épaisseur.

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