Il y a 100 ans, la théorie de la relativité générale

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Le 25 novembre 1915 Albert Einstein publia un article dans le Bulletin de l’Académie des Sciences Prussienne qui était une énumération d’une dizaine d’équations mathématiques dites « équations de champ » décrivant ce qui fut appelée la théorie de la relativité générale. Cette théorie qui n’a jamais été infirmée décrit l’interaction fondamentale de la gravitation comme étant le résultat de la courbure de l’espace-temps par la matière et l’énergie. Ouf ! C’est dit. Je précise à mes lecteurs que je n’ai jamais rien compris à la relativité générale ni à la relativité restreinte qui fut formulée par le même Einstein dix ans plus tôt. Les curieux peuvent toujours aller voir à quoi ça ressemble en entrant dans Wikipedia « Einstein field equations ». Si on ne sait pas ce qu’est un tenseur, un outil mathématique, ce qui est mon cas, inutile d’insister.

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Bref, il va y avoir beaucoup de bruit médiatique autour de cet anniversaire mais peu de gens de par le monde sont capables de comprendre le trait de génie d’Einstein qui explique par exemple la présence de lentilles gravitationnelles dans l’espace. Ce phénomène optique provoqué par des objets très massifs comme des amas de galaxies amplifie le signal lumineux d’autres objets célestes plus éloignés qui apparaissent déformés comme dans l’illustration ci-dessus.

Illustration : « Smiley », amas de galaxies SDSS J1038+4849 (ESA-NASA)

Sommes-nous tous des extraterrestres ? Peut-être …

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Il s’agit d’une réflexion vers laquelle je suis souvent revenu personnellement depuis ces longues conversation inoubliables avec Francis Crick (Prix Nobel de Médecine 1962) qui pensait que la panspermie (voir note en fin de billet) devait être une hypothèse à ne pas écarter dans le cadre d’une approche globale de la biologie avec pour principale préoccupation l’explication de l’apparition de la vie. En effet, si on observe non pas l’Univers mais simplement notre petite planète bleue, la seule explication plausible à la présence d’éléments chimiques « lourds » comme le silicium ou encore le fer et jusqu’à l’uranium sur la Terre est que le système solaire est le résultat de l’explosion d’une super-nova c’est-à-dire une étoile qui existait avant le Soleil et dont ce dernier n’est qu’un vestige entouré de matière disparate constituée de quelques concrétions significatives comme les planètes et d’une nuée de « poussières » constituant la ceinture de Kuiper et le nuage de Oort qui s’étend jusqu’à presque la moitié de la distance séparant le Soleil de son plus proche voisin, Alpha du Centaure.

Puisque l’Univers date de 13 milliards d’années selon la théorie du Big-Bang et que le système solaire ne date « que » de 5 milliards d’années environ, en 8 milliards d’années il a pu se passer bien des choses autour de l’étoile qui finit par exploser en emportant tout sur le passage de l’onde de choc provoquée par cette explosion et en donnant naissance au système solaire. En écrivant ce texte, je suis assis sur un balcon orienté plein sud et je vois Sirius, la deuxième étoile la plus proche du Soleil après Alpha du Centaure, s’élever lentement à l’est. Entre ces trois étoiles, le vide, rien que le vide et un intense trafic de particules venues de nulle part et allant également nulle part.

Rien ne permet d’exclure que l’étoile qui donna naissance au système solaire en explosant n’ait pas aussi été entourée d’une ou plusieurs planètes favorables à l’apparition de la vie, en 8 milliards d’années il s’est en effet passé beaucoup de choses, je le répète, et comme la vie telle que nous la connaissons sur notre planète Terre repose sur un pilier incontournable, à notre échelle et selon nos observations, la présence d’acides nucléique, ADN ou ARN, le support génétique de la vie, comment ne pas exclure sinon prouver que l’ADN de formes de vie précédant la vie sur la Terre depuis plusieurs milliards d’années ait pu être capable d’ensemencer notre planète pour qu’une nouvelle vie y apparaisse ? Parce qu’après tout quand cette étoile explosa et volatilisa ses planètes éventuellement porteuses de vie, rien ne prouve que des fragments de ces dernières n’aient pas été soufflés par l’explosion en emportant avec eux des traces de vie.

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Cette hypothèse de la panspermie n’est pas du tout invraisemblable. Cependant l’ADN n’est pas une molécule très résistante aux conditions extrêmes de températures et de radiations mais on peut imaginer que la vie sur Terre ait « réapparu » en un peu plus d’un milliard d’années à partir de fragments d’ADN ayant échappé à l’anéantissement et se retrouvant sur la Terre dans la « bouillie primordiale » (expérience de Miller-Urey, 1952) pour catalyser une nouvelle apparition de la vie. L’une des missions de la sonde Rosetta n’est-elle pas de tenter de retrouver des molécules chimiques complexes dont la structure ne peut pas être expliquée autrement que comme les restes de formes de vie. Par exemple on trouve dans le pétrole des hydrocarbures cycliques complexes qui proviennent des pigments impliqués dans la photosynthèse. L’ensemencement de la Terre par de l’ADN aurait donc pu subvenir par les retombées de fragments solides après que notre planète se fut suffisamment refroidie pour devenir compatible avec la vie, soit un bon milliard d’années après la constitution du système solaire sur les restes de l’explosion de la supernova ancestrale. Encore fallait-il que cet ADN ait résisté à ces évènements extrêmes …

C’est de manière tout à fait inattendue qu’une équipe de chercheurs de l’Université de Zürich, en collaboration avec diverses équipes universitaires allemandes a apporté une petite vraisemblance à la panspermie dont était adepte Francis Crick et dont je viens de décrire le processus qui est d’ailleurs valable aussi pour la planète Mars. Il s’est agi de profiter de fusées-sondes encore utilisées pour de nombreuses études de la haute atmosphère jusqu’à des altitudes de 250 kilomètres. Lors de l’ascension et de la retombée vers le sol, le bouclier protégeant les instruments de mesure embarqués s’échauffe par friction avec les gaz constituant l’atmosphère, un genre de simulation de l’entrée dans les hautes couches de l’atmosphère des météorites, à la seule différence près que la vitesse d’entrée des météorites est de l’ordre de 20 km par seconde alors qu’une fusée sonde atteint au mieux une vitesse de l’ordre de 1 km par seconde mais l’expérience de résistance de l’ADN dans ces conditions valait tout de même le coup d’être tentée. À divers endroits de l’ogive de protection de la fusée de l’ADN a été badigeonné et après récupération de la fusée, cet ADN a été soigneusement prélevé et analysé. Il s’agissait d’un petit morceau d’ADN circulaire appelé dans le jargon scientifique un plasmide codant pour deux informations facilement détectables expérimentalement, une résistance à la kanamycine, un antibiotique communément trouvé dans le sol, donc en fait le gène de l’enzyme capable de détruire la kanamycine, et le gène d’une protéine fluorescente. Le plasmide présentant la propriété de pouvoir pénétrer à l’intérieur d’une cellule vivante, le test d’intégrité de l’ADN après sa promenade dans les hautes couches de l’atmosphère et son retour vers le sol fut donc facilement obtenu.

Cette expérience assez simple décrite dans PlosOne en libre accès ( DOI: 10.1371/journal.pone.0112979 ) a montré que l’ADN était remarquablement résistant alors que, dans des conditions similaires, des bactéries sous forme de spores ne résistaient pas à un tel traitement. L’endroit le plus propice pour retrouver jusqu’à 60 % d’ADN fonctionnel était l’anfractuosité des boulons reliant l’ogive de protection au corps de la fusée. Quand on a vu l’aspect de la comète Churyumov-Gerasimenko révélée par la sonde Rosetta, on peut sans hésitation imaginer que de l’ADN provenant de formes vivantes (hypothétiques) ayant existé avant l’explosion de la supernova qui donna naissance au Soleil ait pu subsister dans un recoin de cette comète depuis plus de 5 milliards d’années …

Finalement nous sommes peut-être tous des descendants d’ extraterrestres n’en déplaise aux créationistes.

Note : La panspermie est une hypothèse proposant que des formes de vie microscopiques peuvent survivre à l’intérieur de débris éjectés dans l’espace après un événement cataclysmique. Lorsque ces débris retombent sur une planète hospitalière alors la vie réapparaît avec le processus d’évolution qui lui est associé (Wikipedia).

Les ongles incarnés ? C’est du ressort des mathématiques !

Que mes lecteurs soient pour une fois indulgents car il m’arrive souvent de les ennuyer avec des billets un peu difficiles à digérer surtout quand il s’agit de processus biologiques complexes qui le sont aussi pour moi.

Bref, je suis tombé par hasard sur une étude réalisée à la faculté de médecine vétérinaire de l’Université de Nottingham qui comme chacun sait se trouve au Royaume-Uni. C’est fou comme les scientifiques sont créatifs surtout quand ils se grattent le sommet du crâne pour trouver des sujets de recherche ou plutôt quand ils se tripotent les doigts de pied parce que l’inspiration n’est pas au rendez-vous. Jugez par vous même quand il s’agit d’expliquer pourquoi l’ongle du gros orteil a tendance à s’incarner.

Ce n’est pas du tout parce qu’on se coupe mal les ongles mais tout simplement à cause de « l’équation de l’ongle incarné » et je n’invente rien, la voici :

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Vous pouvez aller consulter l’article en question, il est disponible en ligne ( doi:10.1088/1478-3975/11/6/066004 ). Un ongle suit des lois physiques complexes dont voici un aperçu :

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Maintenant quand vous vous coupez les ongles des orteils, faites attention, il faut respecter ces équations mathématiques admirables. Au mieux faites en sorte de ne pas y penser et ignorez-les vous aurez moins de risques de vous couper un morceau de chair …

Comme quoi un mathématicien égaré chez un podologue peut aussi prendre son pied !

A la mémoire de Frederick Sanger

A la mémoire de Frederick Sanger

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Frederick Sanger restera dans ma mémoire puisque les techniques que l’on utilisait encore dans les années 70 étaient toutes dérivées directement de ses travaux, on utilisait encore dans certains cas un réactif appelé « le réactif de Sanger » ainsi que la visualisation bidimensionnelle des petits peptides et des aminoacides constituant une protéine que l’on révélait sur un papier avec un autre réactif mis au point dans le laboratoire de chimie des protéines de l’Université de Cambridge où Sanger travailla de nombreuses années, la ninhydrine, qui avait pour inconvénient de colorer violemment en violet les doigts. Il s’agissait d’une chromatographie descendante sur papier suivie d’une électrophorèse à haut voltage. Le seul fait d’évoquer le nom de Sanger me rappèle curieusement les odeurs prégnantes du mélange de pyridine et d’acide acétique que l’on utilisait pour l’électrophorèse dans un grand bac rempli d’une huile appelée Varsol. C’est aussi dans le laboratoire de Sanger que celui qui serait mon mentor à UCLA fit ses premières armes et collabora étroitement avec lui dans la détermination des pont disulfure de l’insuline (voir la figure tirée de Wikipedia ci-après, les ponts disulfure entre les cystéines sont indiqués en rouge). Les travaux de Sanger sur la séquence d’aminoacides de l’insuline conduisit Francis Crick à formuler l’hypothèse d’une relation directe entre la structure primaire (la séquence d’aminoacides) des protéines et le concept de gènes codant pour ces protéines dont l’information était contenue dans l’enchainement des bases de l’ADN, les premiers résultats de Sanger sur l’insuline remontant au début des années 50 et c’est au cours de cette même décennie que Francis Crick, également à Cambridge, élucida avec James Watson la structure de l’ADN par cristallographie alors que Sanger travaillait déjà sur la séquence des bases constituant les ARN de transfert et les ARN ribosomaux.

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Sanger est le seul chimiste a avoir été récompensé deux fois par le Comité Nobel, une première fois pour la détermination de la structure complète de l’insuline en 1958 et une deuxième fois pour ses travaux sur la détermination de la structure des acides ribonucléiques, en 1980. Sanger faisait partie de ces chimistes fourmillant d’idées pour arriver à résoudre des problèmes complexes avec, pourrait-on dire aujourd’hui, les moyens du bord car la chimie des protéines et des acides nucléiques est aujourd’hui confiée à des machines automatiques mais ces équipements aux performances extrêmement puissantes font toujours appel aux principes découverts et mis au point par ces grandes figures de la chimie et de la biologie qui foisonnaient dès la fin de la deuxième guerre mondiale dans les grandes universités anglo-saxonnes dont en particulier Cambridge qui est toujours un haut lieu de la biologie.

C’est dire que la nouvelle de la mort de Sanger la nuit dernière à l’âge de 95 ans m’a interpellé dans mes souvenirs de chimiste des protéines.

Crédit photo: Associated Press 

Panspermie ?

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L’année dernière, une météorite est tombée dans le désert californien pas très loin d’une ancienne mine d’or à Sutter’s Hill qui avait provoquée la ruée vers l’or de 1849 mais ce n’est qu’une coïncidence. La trajectoire repérée par des radars a permis de retrouver des fragments de cette météorite très rapidement, avant que le soleil ou l’humidité ne viennent altérer d’éventuels composés carbonés présents dans cette météorite. L’analyse chimique par spectrographie de masse et résonance magnétique nucléaire a permis à une équipe de chercheurs de l’Université de l’Etat d’Arizona d’identifier une multitude de molécules organiques oxygénées qui, pour partie, sont révélatrices de la présence antérieure de possibles formes de vie. Des composés chimiques similaires sont par exemple présents dans le pétrole, ce qui indique que le pétrole a une origine biologique associée à la lente fermentation des boues sous-marines ou lacustres qui ont ensuite été emprisonnées par des sédiments, la chaleur des profondeurs de la terre ayant fait le reste. Lors de l’arrivée d’une météorite dans l’atmosphère terrestre, celle-ci est naturellement chauffée à de hautes températures par friction avec l’atmosphère, mais avec un peu de chance il reste des fragments chimiques analysables comme ceux qui ont été trouvés en particulier dans la fameuse météorite carbonée d’Orgueil en France ou celle de Murchison. Mais dans le cas de celle de Sutter’s Hill la rapidité de l’identification de son point de chute et les précautions qui ont été prises pour la récupérer et enfin l’analyse chimique détaillée laissent la voie ouverte à de multiples questions compte tenu de l’identité des molécules chimiques trouvées. Sans vouloir faire un catalogue détaillé, on a détecté sans ambiguité des alcools et leurs esters propanoiques correspondants dont par exemple un ester assez complexe comme le propanoic, 2-methyl-,1-(2-hydroxy-1-methylethyl) 2,2-dimethoxypropylester (CAS 074367-33-2) qui provient sans doute d’une activité biologique bactérienne. Mais plus troublant on a aussi trouvé une série de composés aromatiques comme du benzoic acid methyl ester, ou de la benzophenone et plus troublant du benzothiazole, des terphényls, des phénanthrenes ou encore des pyrenes. J’arrête là cette énumération mais la présence de ces molécules complexes peut tout simplement indiquer que la vie existait quelque part autour de la grosse étoile qui donna naissance au soleil, ses planètes et les innombrables résidus solides qui gravitent autour du soleil jusqu’à une distance d’une année lumière (nuage de Oort) et aux confins du système planétaire du soleil, la ceinture de Kuiper au delà de l’orbite de Neptune. La composition isotopique des débris de comètes indique d’ailleurs une origine commune pour ces deux ensembles de résidus. Si on fait un peu de science fiction, supposons qu’une ou plusieurs planètes de l’étoile qui a donné naissance au système solaire après son explosion il y aurait environ 5 milliards d’années aient été habitées par des formes de vie susceptibles de produire des molécules carbonées et oxygénées complexes ayant laissé dans la météorite de Sutter’s Hill des résidus variés. Il faut garder présent à l’esprit que l’étoile existant avant le soleil a explosé en émettant de la matière mais aussi d’énormes quantités de chaleur et de rayonnements électromagnétiques variés. Puisqu’on ne peut pas exclure la présence d’une ou plusieurs planètes ayant gravité autour de cette étoile ancestrale ayant abrité certaines formes de vie, aujourd’hui, à l’évidence, près de 5 milliards d’années plus tard, il n’est pas surprenant qu’on ne retrouve que des molécules chimiques relativement simples mais pourtant suffisamment complexes pour se poser la question de la présence de vie avant même que le soleil et ses planètes, dont la terre, aient existé. C’est d’ailleurs ce genre de remarque qui avait conduit Francis Crick à émettre l’hypothèse de la panspermie. Mais il n’était pas le premier à y penser puisque cette idée d’une origine extra-terrestre de la vie avait été pour la première fois émise par le philosophe grec Anaxagoras cinq siècles avant notre ère et tout récemment Stephen Hawking reprit cette hypothèse en déclarant qu’après tout les comètes ou d’autres objets intersidéraux pouvaient répandre la vie de planète en planète. La démarche de Francis Crick, alors au Salk Institute était un peu différente puisqu’il tentait de concilier l’existence de la molécule d’ADN et ses codons de trois lettres et l’hypothèse d’une lecture plus simple de ces informations sans la nécessité de l’encombrante et complexe machinerie qu’est le ribosome. Crick était persuadé qu’avant l’apparition du ribosome il devait nécessairement exister un système simple, presque pré-biotique si l’on peut le dire ainsi, une idée fermement défendue par Leslie Orgel qui travaillait en voisin à l’Université de San Diego sur l’exobiologie et que j’ai eu d’ailleurs le privilège de rencontrer. A n’en pas douter un instant autant Crick qu’Orgel auraient été profondément intéressés par les résultats des analyses fournies par l’équipe de chimistes de l’Université d’Arizona avec la météorite de Sutter’s Hill.

Sources : PNAS et ASU

Le virus de l’hépatite B existait déjà il y a 80 millions d’années

Le virus de l’hépatite B est considéré comme la deuxième cause de cancer après la cigarette et il affecte tous les primates. La persistance de l’ADN du virus même après de longues périodes de guérison reste une énigme mal expliquée et serait la cause de l’apparition de cancers du foie le plus souvent mortels. On connait la séquence de l’ADN de ce virus qui est transmissible par le sang, les contacts sexuels non protégés (surtout dans les pays à risque), l’utilisation de seringues souillées, et s’il est 100 fois plus contagieux que le virus de l’immunodéficience (HIV ou SIDA) il existe tout de même un vaccin dont l’efficacité a été prouvée. Les machines modernes de séquençage de l’ADN ont récemment montré que des morceaux d’ADN du virus de l’hépatite se trouvaient intégrées dans le génome des oiseaux, de même que l’ADN humain contient de nombreuses séquences d’origine virale dont seulement une partie a été étudiée en détail à ce jour. Quand une portion d’ADN viral s’insère dans l’ADN de l’hôte, elle se fige et n’est plus soumise qu’à de très faibles taux de mutation. Cette insertion est facile à imaginer puisque l’ADN viral est en partie recopié dans le noyau de la cellule hôte en utilisant également la machinerie de l’hôte et des erreurs peuvent naturellement apparaître comme des insertions et si elles ont lieu au niveau des cellules germinales, on retrouvera longtemps après l’évènement d’insertion ces séquences d’ADN. C’est ce genre d’étude qui a été entrepris avec l’ADN des oiseaux, en particulier des diamants mandarins, des oiseaux originaires d’Australie.

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En remontant l’arbre philogénétique des oiseaux – en quelque sorte l’arbre généalogique reliant les espèces d’oiseaux entre elles – on a pu ainsi déterminer que l’ADN viral avait été inséré dans l’ADN de l’ancêtre de ces oiseaux il y a plus de 80 millions d’années. En approfondissant l’étude, il a pu être déterminé quand exactement les fragments s’étaient inséré dans l’ADN des oiseaux.

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On peut se demander quelle est l’utilité de ce genre d’étude mais il faut replacer l’évolution dans son contexte, il y a 80 millions d’années, il y avait encore des dinosaures dont l’extinction brutale survint quelques 15 millions d’années plus tard, il y avait donc des ancêtres des oiseaux du genre ptérodactyle mais il n’y avait pas encore vraiment de mammifères. Les séquences d’ADN viral que l’on retrouve aujourd’hui chez les oiseaux constituent donc des fossiles vivants très précieux pour comprendre l’évolution du virus de l’hépatite B. D’après les études réalisées à l’Université de Münster en Allemagne le transfert du virus de l’oiseau vers l’ancêtre commun à tous les primates dont l’homme eut lieu vers la fin du Myocène, il y a environ dix millions d’années mais qu’il y eut peut-être aussi un transfert bien plus ancien, lorsqu’il y eut la première divergence entre les oiseaux primitifs et les tout premiers mammifères placentaires. Ce qui est le plus surprenant est qu’en assemblant les séquences d’ADN viral présentes chez les oiseaux les généticiens qui se sont autoproclamé paléovirologues sont retombé sur une séquence d’ADN remarquablement proche de celle du virus actuel qui infecte l’homme à une petite différence près mais de taille, la séquence aviaire préhistorique ne contient pas de séquence codant pour la protéine X aussi nommée HBx, celle-là même qui rend le virus carcinogène en perturbant la réplication de l’ADN des cellules du foie et qui est nécessaire également à la multiplication du virus dans ces cellules hépatiques. Les auteurs de cette étude insistent sur le fait que ce type de recherche peut aider à comprendre les mécanismes de spécificité des virus pour un hôte précis, en ces temps où la crainte d’une pandémie virale mondiale pourrait faire des centaines de millions de morts. La paléovirologie n’en est donc qu’à ses débuts … prometteurs.

Source : Westfälische Wilhelms-Universität Münster via The Guardian, crédits photos et illustration : The Guardian

Une pilule pour améliorer la mémoire ? Peut-être …

En situation de stress, les cellules de notre organisme répondent par un mécanisme que je vais tenter d’expliquer de manière compréhensible qui a pour résultat de réduire leur activité, en particulier la synthèse cellulaire des protéines. Ces signaux de stress – déficience en amino-acides essentiels, rayons ultra-violets, infection virale, dérèglement du métabolisme protéique dans certaines cellules cancéreuses (myélomes, cancer du pancréas ou cancer du sein) ou encore anémie – activent un enzyme particulier, selon la nature du stress, qui a pour effet de réduire la traduction de l’acide nucléique messager en protéines en interagissant avec un facteur d’initiation de cette traduction par addition d’un phosphate sur ce dernier. C’est un peu compliqué mais c’est intéressant tout de même. Dans le but de rechercher des molécules chimiques pouvant interférer directement avec cette réduction de la traduction, un système de screening haute fréquence a été mis au point consistant en une construction génétique comprenant le facteur d’initiation et le gène d’un enzyme qui va produire une fluorescence si le facteur d’initiation n’est pas inhibé par un stress, comme je viens de le dire plus haut. Le screening est effectué sur des cultures de cellules spécialement modifiées génétiquement par cette construction dans ce but. L’état de stress est simulé par un antibiotique particulier ajouté aux cellules en culture, la tunicamycine, conduisant à une extinction de la fluorescence. Si un composé chimique interfère avec cette extinction, il est donc potentiellement intéressant pour combattre l’arrêt de la synthèse cellulaire des protéines qui peut être fatale aux cellules et entrainer toutes sortes de pathologies liées au stress. L’étude collaborative entre l’Université de Californie à San Francisco, la société Genentech et l’Université McGill au Canada a permis de découvrir une molécule chimique (parmi les 106281 testées) particulièrement active qui a tout de suite été appelée ISRIB, acronyme pour Integrated Stress Response InhiBitor parmi une trentaine d’autres composés moins bons inhibiteurs de l’effet du stress sur les cellules. Il s’agit d’une bis-glycolamide symétrique et d’un seul isomère parmi les deux possibles mais je passe sur les détails. Comme on pouvait un peu s’y attendre, l’effet de ce composé chimique sur des cellules cancéreuses conduit à leur mort rapide. Mais bien plus intéressant encore, ce produit (ISRIB) a un effet spectaculaire sur la capacité à mémoriser de souris mutantes et déficientes en un des enzymes transférant un phosphate sur le facteur d’initiation dont je parlais plus haut et qui ont des troubles profonds de mémoire, elles sont incapables d’apprendre à se méfier d’une petite plaque électrifiée ou d’une mauvaise odeur. Elles refont toujours la même erreur, alors que les souris normales apprennent rapidement et se souviennent sur le long terme. Cette molécule nouvelle pourrait être envisagée pour le traitement de certaines maladies génétiques heureusement rares associées avec une difficulté à mémoriser pour lesquelles on a clairement identifié une mutation sur l’un des facteurs d’initiation dont il a été question dans cette étude. Peut-être enfin, mais c’est encore spéculatif, ce composé pourrait peut-être bien améliorer la mémoire et sa consolidation en jouant sur la plasticité des neurones.

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Lien : http://elife.elifesciences.org/content/2/e00498

Crédit photo : mgkuijpers / Fotolia)