ARCHIVÉ - Un lauréat de la bourse Holmes du CNRC s'immerge dans le monde mystérieux des molécules d'eau

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Le 05 décembre 2005— Ottawa (Ontario)

Goutte d'eau

Le corps humain en est composé à près de 60 p. 100. Nos cellules baignent littéralement dedans. En dépit de notre grande dépendance à l'eau, nous ne comprenons toujours pas pourquoi l'eau se comporte comme elle le fait. Élucider le comportement de l'eau au niveau moléculaire, particulièrement à l'intérieur des systèmes biologiques, est précisément l'objectif que s'est donné Michael Cowan, lauréat de la bourse H.L. Holmes du CNRC de cette année.

« Les liaisons hydrogène entre les molécules d'eau sont très importantes pour la vie parce qu'elles sont intimement liées au fonctionnement des protéines, et les protéines sont le matériau même de la vie », explique Michael Cowan, qui est présentement titulaire d'une bourse de recherche postdoctorale à l'Université de Toronto.

Michael Cowan, lauréat de la bourse Holmes 2005 du CNRC
Michael Cowan, lauréat de la bourse Holmes 2005 du CNRC

M. Cowan a reçu le prix Holmes du CNRC, doté d'une bourse de 200 000 $, le 13 octobre dernier à l'occasion de l'International Conference on Multiphoton Processes, à Orford, au Québec. Ce prix lui permettra de financer deux années de travaux de recherche en collaboration avec l'Université de Toronto et l'Institut Max Born à Berlin, en Allemagne.

« C'est un prix incroyable qui va me permettre de travailler ici sur d'importants problèmes avec des chercheurs extraordinaires, explique Cowan. C'est aussi un prix très prestigieux. »

Le lauréat du Prix Holmes de cette année est détenteur d'un baccalauréat en physique et d'un doctorat de l'Université du Manitoba; c'est aussi à cette université qu'il a exploré l'utilisation des techniques ultrasonores pour étudier la dynamique des ondes et des particules. Il a par la suite obtenu une bourse postdoctorale du CRSNG qui lui a permis de travailler avec R.J.D. Miller au sein des départements de physique et de chimie de l'Université de Toronto.

Découvrez-en davantage au sujet des travaux de Michael Cowan.

En mars dernier, la revue Nature publiait un article de M. Cowan intitulé : « Ultrafast memory loss and energy redistribution in the hydrogen bond network of liquid H2O » 1. C'est précisément pour élargir cette recherche aux systèmes biologiques que Michael Cowan a reçu la bourse Holmes.

Mark Bisby, vice-président du Portefeuille de la recherche des Instituts de recherche en santé du Canada (IRSC) et membre du comité de sélection du Prix Holmes, a été frappé par le choix de M. Cowan de faire porter sa recherche sur un élément que la plupart d'entre nous tenons pour acquis.

« Je crois que sa candidature a impressionné tous les juges parce qu'il s'intéressait à une propriété si fondamentale des systèmes biologiques qu'elle était presque oubliée, et parce que l'impact potentiel de son travail est énorme, a confié Bisby. L'expression "changement de paradigme" est souvent suremployée, mais il n'est pas exagéré de l'utiliser ici pour décrire le travail que Michael pourrait accomplir. »

Ce prix honore la mémoire de R.H.L. Holmes, un scientifique qui a passé la plus grande partie de sa carrière en Alberta à étudier les effets des produits chimiques sur les systèmes biologiques. À son décès, M. Holmes a légué sa fortune au CNRC. Ce legs a permis de créer la bourse Holmes, qui récompense les jeunes scientifiques les plus prometteurs au Canada en leur donnant la chance d'effectuer de la recherche de classe mondiale.

« J'essaie de donner à des Canadiens les meilleures chances au monde pour acquérir de l'expérience en recherche et pour se perfectionner professionnellement. »,R.H.L. Holmes, 12 avril 1984

Le legs de M. Holmes continue d'aider les chercheurs à mieux comprendre la chimie et la physique des systèmes biologiques. Le travail de Michael Cowan se situe à l'intersection de ces trois disciplines.

Jusqu'ici, M. Cowan s'est concentré sur l'étude des forces d'attraction entre molécules voisines dans l'eau pure. En utilisant la spectroscopie infrarouge multidimensionnelle pour provoquer des vibrations ultrarapides dans l'eau pure, Cowan a pu étudier les corrélations entre des molécules d'eau adjacentes. Il a découvert que les molécules d'eau sont des voisins volages.

« Dans l'eau pure, les molécules se répartissent au hasard à des échelles de temps qui sont d'au moins un ordre de grandeur plus rapide que dans tout autre liquide », explique Cowan.

Puisque les protéines de nos cellules sont saturées et entourées d'eau, il est essentiel de comprendre comment les molécules d'eau interagissent dans ce milieu.

« Cela a des implications profondes sur la façon dont les molécules des protéines se comportent dans l'eau, poursuit Cowan. Le fait qu'il n'existe pas de structure permanente dans l'eau pourrait permettre aux biomolécules de passer très rapidement et de façon stable à l'état approprié.

 
 
Récipiendaires de la bourse Holmes et leurs recherches
 
 

En 2003, Alison Allan, de l'Université de Western Ontario, a reçu le Prix Holmes du CNRC pour effectuer de la recherche sur le cancer du sein.

 
 

La lauréate du Prix Holmes 1997, Suzanne Demczuk de l'Université de Montréal, a profité de cette bourse pour étudier les microdélétions du chromosome 22, qui sont à l'origine de problèmes cardiaques, de malformations faciales, d'anomalies du taux de calcium dans le sang et d'une susceptibilité accrue aux infections chez les enfants.

 
 

Enfin, Carol Dallaire, de l'Université du Texas, a été le premier récipiendaire du Prix Holmes en 1994. Grâce à cette bourse, M. Dallaire a pu travailler à l'Institut Steacie des sciences moléculaires du CNRC sur des projets liés aux substances anticancéreuses et biomimétiques.

 
 

« Grâce à la bourse Holmes, je vais pouvoir étudier l'eau dans l'environnement de la cellule, poursuit-il. Le cytoplasme à l'intérieur des cellules est densément peuplé par des ions, des protéines et d'autres petites molécules et, par conséquent, les propriétés [de l'eau cytoplasmique] pourraient être très différentes de celles de l'eau pure. »

Ce travail est également important pour la science biologique en général, puisque la plupart des expériences portant sur les protéines sont réalisées dans des solutions aqueuses. Savoir comment les mouvements moléculaires de l'eau affectent le comportement des protéines nous aidera à mieux comprendre comment les protéines se comportent, aussi bien à l'intérieur des cellules que des éprouvettes.

La bourse Holmes du CNRC permettra aussi à M. Cowan de poursuivre ses travaux en collaboration avec Dwayne Miller à l'Université de Toronto et à l'Institut Max Born au cours des deux prochaines années.

« Je vais probablement demeurer dans ce domaine, confie Cowan. Je suis très intéressé par la biophysique – la branche de la physique qui étudie le fonctionnement de la vie. »

La recherche de Michael Cowan

Dwayne Miller, professeur de chimie et de physique à l'Université de Toronto et superviseur de Michael Cowan, explique comment le travail de ce dernier aide à faire la lumière sur la relation qui existe entre l'eau et les molécules biologiques.

« L'eau est le liquide le plus abondant sur la planète. Mieux comprendre le comportement de l'eau à l'échelle microscopique est assurément l'un des problèmes les plus anciens abordés par la science. Depuis près d'un siècle, on sait que les propriétés de l'eau sont directement tributaires du réseau des liaisons hydrogène entre les molécules d'eau.

Toutefois, jusqu'à ce que Michael Cowan se penche sur ce problème en collaboration avec des collègues de l'Institut Max Born à Berlin, personne n'avait réussi à caractériser la dynamique et les corrélations imposées par le réseau de liaisons hydrogène sur la structure de l'eau liquide. C'est seulement avec le développement de la nanofluidique et l'application d'une nouvelle technique de spectroscopie infrarouge multidimensionnelle que Michael a pu mesurer directement cette relation.

Ce qu'il a découvert est tout simplement étonnant. La corrélation entre les molécules d'eau ou, si l'on préfère, la mémoire des positions des molécules d'eau voisines qui influe sur leur environnement microscopique, s'efface en moins de 50 femtosecondes (une femtoseconde est égale à un milliardième d'un millionième de seconde). Par conséquent, tout ce qui se passe dans l'eau semble être près de 100 fois plus rapide que ce nous aurions pu déduire sur le comportement de l'eau à partir d'études de systèmes modèles.

Le prix Holmes décerné à Michael Cowan reconnaît l'importance de cette découverte. M. Cowan dirigera maintenant son microscope multidimensionnel vers l'intérieur de la cellule afin de mieux cerner les conditions des molécules d'eau "vivantes". C'est dans ce milieu que les couches d'hydratation de l'eau se mettent en place pour provoquer l'autoassemblage des molécules qui formeront l'appareil de la vie. S'il y a quelque chose que nous avons appris à propos de l'eau, c'est que les réponses que nous trouverons à nos questions sur la structure dynamique de l'eau à l'intérieur des cellules sont sûres de nous surprendre. »

Pour être admissibles au prix H.L. Holmes du CNRC, les projets de recherche, que ce soit en chimie, en physique, en biologie ou en mathématiques, doivent contribuer à l'avancement de la médecine ou de la biologie. Les lauréats sont choisis sur la base de leurs réalisations et de leurs promesses scientifiques, telles qu'évaluées par leurs collègues, et de la qualité et de l'importance de leur projet.

1 M.L. Cowan, B.D. Bruner, N. Huse, J.R. Dwyer, B. Chugh, E.T.J. Nibbering, T. Elsaesser et R.J.D. Miller, « Ultrafast memory loss and energy redistribution in the hydrogen bond network of liquid H2O », Nature 434, 199 (2005).


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