Causes Nobel

Le téléphone de George Smoot a sonné juste avant 3h00 du matin le 3 octobre, et une voix avec un accent suédois lui a dit qu'il avait remporté le prix Nobel de physique 2006. Mais le cosmologiste était sceptique.

Cette carte des variations de température dans un rayonnement vieux de 14 milliards d'années a été appelée l'image du bébé de l'univers. Il a également remporté un prix Nobel pour George Smoot '66, PhD '70. Pour des photos de Smoot et d'Andrew Fire, PhD '83, qui a également remporté un prix Nobel 2006, cliquez sur le lien multimédia ci-dessous.

Après tout, une propension à la farce court dans sa famille. Oliver R. Smoot '62, qui a établi la norme de mesure pour le pont de Harvard (364,4 smoots et une oreille), est un parent éloigné. Et Smoot lui-même se souvient encore très bien d'avoir joué une blague à son directeur de thèse, le professeur de physique du MIT David Frisch. Après avoir travaillé la nuit, Smoot et un ami ont prétendu avoir limé un précieux morceau d'osmium pour le faire tenir dans un aimant pour une expérience. Lorsque Frisch est entré dans le laboratoire et a vu des éclats de métal éparpillés, il a saisi son cœur de terreur, se souvient Smoot. C'est pourquoi j'étais inquiet quand j'ai reçu l'appel téléphonique au milieu de la nuit, dit-il. Je sais que les élèves peuvent faire des farces !

Mais l'appel de Suède n'était pas une farce. Smoot et un autre ancien élève du MIT, Andrew Z. Fire, ont rejoint un groupe de 61 autres éminents anciens élèves, professeurs et affiliés du MIT lorsque chacun a remporté un prix Nobel en 2006. Les deux ont changé la façon dont la science est faite dans leurs domaines.

Andrew Z. Fire, PhD '83, a remporté le prix de médecine pour avoir aidé à découvrir les détails d'un mécanisme naturel de silençage génique appelé ARN interférence. Bien que la découverte révolutionnaire ait eu lieu il y a seulement huit ans, l'induction d'une interférence ARN est maintenant une technique de laboratoire courante qui aide les biologistes à identifier les fonctions des gènes individuels. Les thérapies qui utilisent l'interférence ARN pour lutter contre les maladies humaines telles que la dégénérescence maculaire sont déjà en cours d'essais cliniques.

Multimédia

• Photos de Smoot et de feu

George Smoot '66, PhD '70, a remporté le prix de physique. Il a codirigé l'équipe de recherche derrière le satellite COBE de la NASA, qui a effectué les premières mesures quantitatives des conditions initiales de l'univers. La carte de 1992 de Smoot des minuscules variations de température dans le rayonnement cosmique provenant d'environ 14 milliards d'années est le pistolet fumant de la théorie du big bang. On pense que les fluctuations infimes tracées par Smoot indiquent les concentrations locales d'énergie - les graines - autour desquelles la matière s'est fusionnée dans les amas de galaxies qui composent l'univers d'aujourd'hui.

The Gene Silencer : Andrew Fire

Avant 1998, identifier la fonction d'un gène donné était un processus laborieux dont le succès était déterminé en grande partie par la chance. Les chercheurs ont trouvé des cellules ou des organismes avec des copies mutées du gène et ont déduit des fonctions perdues ce que faisait le gène normal. Ou ils ont essayé d'induire des mutations dans les cellules en laboratoire, une technique aléatoire qui, dans les cellules humaines, a manqué la plupart du temps. Désormais, grâce à la découverte de l'interférence ARN (ARNi), les biologistes peuvent essentiellement désactiver des gènes individuels en laboratoire. Cela revient à actionner un interrupteur pour faire changer de couleur quelques ampoules dans un éventail de millions.

Comprendre l'interférence ARN a radicalement changé notre façon de faire de la biologie cellulaire et de comprendre, ou sonder, les cellules, explique Phillip Sharp, professeur d'institut au Center for Cancer Research du MIT et lui-même lauréat du prix Nobel. Nous sommes passés d'une position de ne pas avoir d'approche générale pour étudier la fonction des gènes à la possibilité de faire taire un gène pour lui demander ce qu'il fait. Chaque revue que vous consultez, un ou plusieurs ou tous les articles qu'elle contient ont utilisé cette technologie. Cela a vraiment été une avancée fondamentale.

Fire, maintenant professeur de pathologie et de génétique à la Stanford University School of Medicine, partage le prix Nobel avec Craig Mello, maintenant professeur de médecine moléculaire à la University of Massachusetts Medical School, pour leur découverte du mécanisme de silençage génique.

Fire est arrivé au MIT en tant qu'étudiant diplômé de 19 ans, spécialisé en mathématiques à l'Université de Californie à Berkeley. En participant à ce qu'il appelle le buffet intellectuel de Berkeley, il a rencontré la biologie moléculaire et s'est enthousiasmé. Une décennie avant que Sharp ne remporte son prix Nobel, Fire travaillait dans son laboratoire au MIT. En tant qu'étudiant, Fire a effectué d'importantes recherches préliminaires sur la biochimie du contrôle de l'expression des gènes dans les cellules humaines, se souvient Sharp. Cela a lancé 15 autres années de travail dans mon laboratoire et dans d'autres.

Avant que Fire et Mello ne publient leur article révolutionnaire, l'ARN était connu pour avoir de multiples rôles, mais il était principalement considéré comme l'intermédiaire de l'ADN, le messager qui traduit les gènes en protéines. Les chercheurs savaient cependant que lorsqu'il était injecté dans un organisme, l'ARN pouvait parfois empêcher la production de protéines et de gènes silencieux.

Mais le phénomène n'a pas pu être reproduit de manière fiable, il n'était donc pas clair quelle forme d'ARN en était responsable. Était-ce de l'ARN sens, qui suit la séquence de l'ARN messager qui code pour une protéine spécifique ? Était-ce le complément de l'ARN sens, l'ARN antisens ? Ou était-ce une combinaison double des deux ?

Fire et Mello ont collaboré à une série d'expériences rigoureuses utilisant un ver nématode appelé C. elegans pour déterminer si l'ARN sens, antisens ou double brin a causé l'extinction du gène. Afin d'obtenir des signaux visibles forts de leurs sujets de test, ils ont travaillé avec un gène qui aide à maintenir des contractions musculaires normales dans C. elegans : si le gène était réduit au silence, les vers se contracteraient. Lorsque les chercheurs ont injecté aux vers de l'ARN sens pur ou antisens pur, rien ne s'est produit. Mais lorsqu'ils ont injecté de l'ARN double brin, les vers se sont contractés. Fire et Mello ont conclu que l'ARN devait être double brin pour faire taire le gène.

La paire a publié ces résultats ainsi que d'autres observations sur l'ARNi dans La nature en 1998. L'idée que l'ARN double brin était la clé du silence est la raison pour laquelle ils ont reçu le prix [Nobel], dit Sharp. Des recherches ultérieures menées par Fire, Mello, Sharp et d'autres ont établi le fonctionnement moléculaire de l'ARNi, qui est maintenant connu pour se produire dans la plupart des organismes.

Chez l'homme, chez d'autres animaux et même chez les plantes, l'ARN est normalement présent sous forme de simple brin. Fire et d'autres dans le domaine pensent que l'ARNi s'est probablement développé comme défense contre les virus. Lorsqu'une cellule voit de l'ARN double brin, sa première réponse est de le couper en morceaux, ce qui est compréhensible étant donné que l'ARN double brin [viral] est [souvent présent] lorsque les virus se répliquent, explique Fire.

Mais la cellule va encore plus loin. Non seulement il veut hacher les trucs, mais il veut aller chercher tout ce qui lui ressemble, au cas où il lui manquerait de l'ARN. Donc [une molécule dans] la cellule prend les morceaux d'ARN qui ont été hachés, et elle va chercher des choses qui sont similaires. S'il trouve quelque chose, il le coupe en morceaux.

Ce quelque chose pourrait être le propre ARN messager de la cellule. Lorsque son messager est détruit, un gène est réduit au silence.

En théorie, dit Sharp, l'ARNi peut réduire au silence n'importe quel gène, des gènes d'un virus envahissant au gène qui rend la protéine susceptible de causer la maladie de Parkinson. Cela le rend thérapeutiquement prometteur. Sharp et d'autres chercheurs ont fondé des sociétés pour commercialiser des médicaments ARNi. Si vous pouviez faire parvenir de l'ARN au [tissu] cible, vous pourriez avoir des traitements vraiment cool, dit Fire.

Alnylam, la société Sharp cofondée à Cambridge, MA, mène actuellement des essais cliniques d'un médicament contre le virus respiratoire RSV ; Acuity Pharmaceuticals de Philadelphie et Sirna Therapeutics de San Francisco mènent toutes deux des essais cliniques de médicaments contre la dégénérescence maculaire.

Fire aime regarder ces aventures, mais seulement en tant que pom-pom girl, dit-il. Il continue d'étudier le fonctionnement moléculaire du silençage génique chez le sujet de test préféré de son laboratoire, C. elegans .

L'ARNi s'est également avéré être un mécanisme que les cellules utilisent normalement pour contrôler l'activité de leurs gènes. Victor Ambros '75, PhD '79, et Rosalind Lee '76 ont découvert que l'ARN joue un rôle clé dans le contrôle du développement animal ; les chercheurs ont trouvé de nombreux gènes qui codent pour l'ARN double brin, et on pense maintenant que l'interférence par ces ARN est responsable de la régulation de 30 pour cent du génome humain.

Ces jours-ci, Fire se concentre sur l'établissement de liens entre le silençage génique et la maladie humaine. Beaucoup de gènes sont réduits au silence dans le cancer, dit-il. C'est connu depuis longtemps. Il travaille actuellement avec des pathologistes à Stanford pour comprendre comment la perturbation des processus de régulation de l'ARN contribue à la maladie.

Le cartographe cosmique : George Smoot

George Smoot n'avait pas pour objectif d'être un journaliste météo ou un cartographe. Mais en 1992, il est entré dans l'histoire de la cartographie en créant la première carte du jeune univers en traçant de légères variations de la température d'un rayonnement vieux de 14 milliards d'années. Les variations de ce fond diffus cosmologique, ou CMB, donnent aux astrophysiciens des indices sur la formation de structures complexes comme les galaxies.

Professeur de physique à l'Université de Californie à Berkeley, Smoot partage le prix Nobel de physique avec John Mather du Goddard Space Flight Center de la NASA pour ses travaux sur le CMB, dont l'existence soutient la théorie du big bang.

Angelica de Oliveira-Costa, maintenant chercheuse à l'Institut Kavli d'astrophysique et de recherche spatiale du MIT, a rejoint le laboratoire de Smoot à Berkeley en tant qu'étudiante diplômée l'année après que Smoot a annoncé sa carte. Elle dit qu'une partie de ce qui fait de lui un physicien de premier ordre, c'est qu'il a un bon œil pour les bonnes idées et qu'il n'a pas peur du changement.

Smoot a toujours été attiré par la cosmologie, mais il a fait ses études supérieures en physique des particules et a travaillé avec Luis Alvarez, lauréat du prix Nobel dans ce domaine à Berkeley. Entre les projets, Alvarez a demandé à son équipe de prendre quelques mois de congé et d'explorer de nouveaux domaines de recherche fertiles. Smoot a saisi l'opportunité d'entrer dans la cosmologie, adoptant la philosophie d'Alvarez comme sienne : lorsque vous terminez une expérience, ne faites pas automatiquement la suivante. Vous devriez voir s'il existe une nouvelle découverte ou technologie qui vous permettra de faire des mesures dans un domaine prometteur.

Pour Smoot, l'étude de l'arrière-plan cosmique des micro-ondes était un domaine si séduisant et grand ouvert. Il dit qu'il a eu l'intuition que quoi que l'on mesure, il y aura une mesure fondamentale, et il avait raison. De Oliveira-Costa dit de ses trois années dans le laboratoire de Smoot, Scientifiquement, ce fut l'un des meilleurs moments de ma vie. Chaque petite découverte que vous avez faite était nouvelle.

Découvert dans les années 1960, le CMB avait été prédit par la théorie du big bang. Le rayonnement ne vient pas d'un endroit dans l'univers mais d'un temps peu après la formation de l'univers. Lorsque nous regardons le rayonnement, nous repensons à une époque dans l'univers où tout était chaud et dense comme le plasma de notre soleil, explique Edmund Bertschinger, chef de la division d'astrophysique du département de physique du MIT. Au fur et à mesure de l'expansion de l'univers, il s'est refroidi, de même que le CMB, qui n'est maintenant qu'à environ 2,7 degrés au-dessus du zéro absolu. Nous voyons cette rémanence dans nos radiotélescopes des milliards d'années plus tard, dit-il.

Les photons du CMB fournissent quelque chose comme une photographie de l'univers environ 370 000 ans après le big bang, lorsqu'il s'est refroidi à environ 3 000 °C, libérant des particules pour former les premiers atomes. Jusque-là, l'univers était un plasma opaque à haute énergie ; les photons ont été pris dans une conversation passionnée et intime avec des particules subatomiques comme des électrons. Lorsque l'univers s'est refroidi et que des atomes se sont formés, les photons, y compris ceux qui composent le CMB, ont pu pour la première fois se déplacer librement.

Lorsque Smoot a commencé à travailler sur le CMB, son spectre exact était inconnu et il semblait avoir une énergie complètement uniforme. Cette uniformité suggérait un univers primitif où l'énergie et la matière étaient distribuées de manière homogène - un scénario apparemment incompatible avec l'univers varié et complexe d'aujourd'hui. Comment des étoiles regroupées en galaxies regroupées en amas de galaxies entourées de grands vides ont-elles pu émerger d'un univers primitif où la matière s'étalait aussi facilement que la cerise sur un gâteau de mariage ? Pour que la théorie du big bang tienne, l'univers primitif aurait dû avoir des grumeaux sur lesquels les forces de la mécanique quantique puis la gravité pourraient agir, provoquant finalement la formation de galaxies et d'autres structures.

À la recherche de cette bosse, de nombreux groupes, dont celui de Smoot, ont envoyé des détecteurs de rayonnement sur des ballons et même dans des avions espions à des altitudes où le CMB n'est presque pas complètement filtré par l'atmosphère terrestre. Pendant ce temps, d'autres ont calculé quel niveau de fluctuation de l'énergie de l'univers primitif aurait permis la formation de grumeaux, ou de graines. Smoot a rejoint un groupe, dirigé par Mather à la NASA, qui travaillait à la mise en orbite d'un satellite sensible de détection de rayonnement appelé COBE (Cosmic Background Explorer). Au moment où COBE a été lancé le 18 novembre 1989, les astrophysiciens avaient établi que de très petites variations du CMB - aussi petites qu'un cent millième de degré - indiqueraient un univers primitif suffisamment diversifié pour avoir produit l'actuel.

Smoot était responsable d'un groupe de six instruments sur COBE, appelés radiomètres à micro-ondes différentiels, qui recherchaient des variations de température appelées anisotropie dans le CMB. Au-dessus de la Terre, le COBE en orbite avait une réception sans obstruction du CMB dans toutes les directions. Smoot et son équipe de Berkeley ont analysé une année de ces mesures de température - des millions - à la recherche d'anisotropie ; quand ils ont semblé le trouver, ils ont travaillé pour se convaincre que ce n'était pas dû au bruit des instruments sur COBE.

En 1992, Smoot a annoncé que COBE avait trouvé des variations d'un cent millième de degré dans l'énergie du CMB. Sa carte de ces variations, montrant à peu près quelles zones de l'univers primitif étaient légèrement plus chaudes et lesquelles étaient légèrement plus froides, a été appelée l'image du bébé de l'univers. Ce qui est étonnant, c'est que l'univers est presque complètement uniforme, dit-il. C'est plus uniforme qu'une boule de billard. Smoot a reçu sa moitié du prix Nobel pour son travail sur la carte ; Mather a été honoré pour avoir dirigé le projet COBE et mesuré le spectre du CMB.

Les astrophysiciens disent que l'annonce par Smoot et Mather des résultats de COBE a été un tournant pour la cosmologie, lorsque la spéculation philosophique sur les origines de l'univers a cédé la place à une science fondée sur des preuves quantitatives. La carte de Smoot a ensuite été vérifiée par d'autres expériences de ballons et a depuis été améliorée par des mesures plus sensibles de WMAP, un satellite de la NASA toujours en orbite. Bertschinger compare Smoot et les autres scientifiques de COBE à des explorateurs cherchant de nouveaux continents. Vous trouvez d'abord les continents, puis explorez les côtes et affinez vos cartes, dit-il.

La carte CMB a rencontré un tel enthousiasme que Smoot a écrit un livre, Rides dans le temps , pour montrer aux jeunes qu'être scientifique peut être une aventure, dit-il. Maintenant qu'il a remporté le prix Nobel, Smoot dit en plaisantant à moitié qu'il ressent encore plus de pression pour être un ambassadeur de la science. J'étais un hors-la-loi, allant toujours en marge de la physique, essayant des choses étranges, étant rebelle, se souvient-il.

Dans un univers qui serait composé à 96 % de matière noire mystérieuse et d'énergie noire, il y a beaucoup de territoires nouveaux et étranges à explorer. J'ai une liste de huit questions qui me semblent vraiment importantes, dit-il (voir la liste de Smoot, ci-dessous) . Un jour, Smoot envisage de créer un centre de physique cosmologique pour y remédier. Mais pour l'instant, ce sont des puces dans ses conférences - et le cartographe cosmique garde la liste collée à son mur.

Liste de Smoot
Les huit questions de cosmologie qui empêchent George Smoot de dormir la nuit

1. L'inflation1 s'est-elle produite ? Comment?

2. Qu'est-ce que la matière noire ?

3. Qu'est-ce que l'énergie noire ?

4. Pourquoi y a-t-il plus de matière que d'antimatière dans l'univers ?

5. Y a-t-il d'autres reliques2 à trouver (par exemple, des cordes cosmiques) ?

6. Y a-t-il des dimensions supplémentaires ?

7. Les constantes fondamentales varient-elles ?

8. Quelles autres forces exotiques pourrait-il y avoir ?

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1 l'expansion exponentielle du jeune univers

2 du jeune univers

3 c'est-à-dire plus de quatre (trois dimensions spatiales et temporelles)

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