L’importance de la chiralité dans le monde vivant

Qui a déjà essayé d’enfiler un gant gauche sur sa main droite comprend aussitôt le principe de chiralité, dérivé du mot grec cheir désignant la main : la chiralité se définit comme une différence de symétrie rendant un objet non superposable à son image dans un miroir. Mise en évidence par Pasteur dès 1848 pour certaines molécules, cette approche tridimensionnelle a progressivement transformé la chimie organique. Aujourd’hui, il est admis que la chiralité est intimement liée aux propriétés de la vie, et qu’elle se retrouve jusqu’à l’échelle quantique, au niveau des électrons ou des photons. Elle explique en partie les propriétés spécifiques de la lumière polarisée, mise à profit notamment dans la bio photothérapie médicale par LMPC (lumière monochromatique polarisée circulaire).

L’atome de carbone fait partie des structures indispensables à la vie, au même titre que l’oxygène, l’hydrogène ou l’azote. Son importance en biologie du vivant est telle qu’il a donné naissance à un pan important de la chimie, la chimie organique.

La particularité de cet atome de carbone, porteur de 4 liaisons atomiques potentielles, repose sur sa forme géométrique tétraédrique, pouvant adopter deux représentations dans l’espace différentes, non superposables à leur image dans un miroir.

La chiralité vue par le chimiste

La chiralité se définit comme la propriété d’une molécule d’exister sous deux conformations spatiales différentes, non superposables à leur image miroir. Ces deux molécules, appelées énantiomères, possèdent des propriétés physico-chimiques très légèrement différentes.

Le chimiste va ainsi proposer deux modes de classification des molécules chirales :

-s’il se réfère à la conformation tri-dimensionnelle de la molécule, il va s’intéresser au sens de rotation autour de l’atome de carbone asymétrique, en le classant par sens de priorité, selon qu’il soit horaire ou anti-horaire. Cette stéréochimie définit ainsi deux formes d’énantiomères : pour le sens horaire, les chimistes utilisent généralement la dénomination R (rectus), tandis la conformation anti-horaire est désignée par la lettre S (sinister).

-s’il se réfère aux propriétés optiques des énantiomères, le scientifique distingue les formes lévogyres qui dévient la lumière polarisée vers la gauche (forme – ou l), et les énantiomères dextrogyres qui dévient la lumière polarisée vers la droite (+ ou d).

Il ne faut pas confondre la distinction R/S de nature structurelle, avec la distinction dextrogyre/lévogyre résultant d’un pouvoir optique.

La notion clé-serrure

La chiralité a également ouvert une dimension tridimensionnelle des interactions biochimiques : la notion clé-serrure développée par Fischer en 1894 permet d’expliquer pourquoi, d’un point de vue chiral, une molécule dextrogyre ne pourra pas « rentrer » dans une serrure Lévogyre, et réciproquement.

Cette notion est un des principes fondamentaux en Biologie.

De la chimie organique à la chimie quantique et à la chimie de la vie 

D’un point de vue énergétique et statistique, les énantiomères d’une même molécule possèdent la même énergie, d’où une aptitude égale à se former : un mélange équi-molaire à 50/50 est ainsi appelé racémat.

Deux énantiomères possèdent quasiment les mêmes propriétés physicochimiques, à l’exception de leur action opposée sur la lumière polarisée, et de leur vitesse différente de réaction avec d’autres composés chiraux.

Cela se traduit par le processus d’amplification chirale, expliquant pourquoi un léger déséquilibre énantiomérique peut aboutir dans le temps à la fabrication d’un énantiomère pur à 100%, que ce soit par mise en jeu de processus physiques (cristallisation, évaporation…) ou chimiques (autocatalyse stéréosélective, polymérisation réversible…).

Dès qu’une molécule présente plusieurs atomes asymétriques, et donc plusieurs centres de chiralité, le nombre de combinaisons d’énantiomères augmente en théorie de façon exponentielle. Mais curieusement, on ne retrouve souvent dans le vivant que des énantiomères purs.

Si cette évolution s’inscrit dans un « processus darwinien » pour trouver les structures les plus stables, il n’est pas étonnant que la chimie quantique s’en soit depuis emparée, pour étudier les corrélations électroniques et mieux identifier les structures d’équilibre les plus stables, à travers leurs énergies relatives.

Si les bases théoriques de la physique chimique s’accordent pour dire que deux énantiomères ont statistiquement la même probabilité de se former, force est de constater que la chimie du vivant n’obéit donc pas totalement à cette règle.

Par nature, la plupart des molécules organiques carbonées, comme les sucres, les acides nucléiques ou les acides aminés constitutifs des protéines, se présentent en effet comme des molécules chirales.

Pourtant, la vie privilégie le plus souvent une seule des deux formes chirales : des acides aminés synthétisés en laboratoire aboutissent à une forme racémique 50% L / 50 % D, alors que les acides aminés naturels produits par le vivant sont pour l’essentiel de type L. C’est l’inverse pour les sucres présents dans les brins d’ADN ou d’ARN, avec une prédominance naturelle des formes D.

Notre organisme arrive sans difficulté à différencier deux énantiomères, l’un des exemples les plus frappants étant peut-être celui du limonène : s’il est de forme gauche, il sent le citron ; mais s’il est de forme droite, il sent l’orange !

Comment expliquer alors cette chiralité du vivant, qui pose une fois encore la question du « hasard et de la nécessité », citation de Démocrite popularisée bien des années plus tard par le prix Nobel et généticien Jacques Monod ?

Car plus que le hasard, il faut croire que cette chiralité à la base de la vie apporte aux êtres vivants un véritable avantage sélectif, qui pourrait expliquer toute la plus-value d’une lumière chirale en bio photothérapie, comme l’est la LMPC (lumière monochromatique polarisée circulaire).

La théorie de l’amplification chirale naturelle

Les chimistes savent qu’un léger déséquilibre entre deux énantiomères peut conduire, à terme, à un mélange pur, à travers une succession de phénomènes physico-chimiques naturels. Toutefois, de nombreux scientifiques réfutent cette hypothèse comme cause unique de la chiralité du vivant, car elle ne semble pas confirmée dans l’atmosphère primitive, ayant servi de « bain organique » pour l’apparition de la vie.

La théorie des champs magnétiques 

Une étude grenobloise a prouvé en 1997 le phénomène d’anisotropie magnéto-chirale : un flux de lumière non polarisée soumis à un champ magnétique parallèle peut conduire à l’excès d’un énantiomère à partir d’un mélange initialement racémique.            Ces conditions expérimentales, très courantes dans l’atmosphère, auraient pu ainsi induire un déséquilibre, point de départ pour un phénomène d’amplification.

La théorie de la lumière polarisée circulaire

Longuement étudiées par Henri Kagan, qui a vu le Prix Nobel de Chimie lui échapper pour un détail de règlement interne, les réactions photochimiques induites par la lumière polarisée circulaire ont montré un aspect stéréo-sélectif.                                        La lumière du soleil se polarise en effet naturellement au contact de l’atmosphère, à travers un processus de réflexion, aboutissant à ce que 0,1 à 0,3 % de la lumière nous parvenant existe sous forme de polarisation circulaire. Le sens de rotation de cette lumière polarisée circulaire varie sur la journée, selon une sinusoïde, à droite le matin et à gauche l’après-midi !

D’autres sources de lumières polarisées circulaires ont été trouvées dans le milieu stellaire ; ces rayonnements en provenance de l’espace ont pu jouer un rôle dans la formation et la sélectivité chirale de molécules terrestres.

Par exemple, l’observation de la nébuleuse d’Orion a permis de mettre en évidence un rayonnement infrarouge polarisé à gauche ( 22%) ; des tests menés en laboratoire d’astrophysique, avec une lumière ultraviolette polarisée droite ont donné un excès de 2,6% de la configuration L,  à partir d’un mélange racémique 50/50 de leucine, un acide aminé essentiel à la vie.

Cette lumière polarisée circulaire pourrait donc être à l’origine de la chiralité du vivant.

Plusieurs travaux ont porté sur les protéines, des macromolécules formées par la réunion d’acides aminés sous forme de briques de peptides.

Dans la nature, les acides aminés sont de conformation L pour la plupart, que ce soit les acides aminés essentiels apportés par l’alimentation, ou ceux synthétisés par l’organisme. Les protéines codées dans l’ADN et produites via l’ARNm sont ainsi toutes homochirales. Mais lors de phénomènes dégénératifs, comme le vieillissement cellulaire ou les pathologies tumorales, la part d’acides aminés D augmente de manière significative. Les peptides ou les protéines faits d’acides aminés D ont toujours une activité biologique accrue, perturbant alors le métabolisme basal et sa régulation.

En effet, un assemblage d’acides aminés « gauches » se fait en sens opposé de celui d’acides aminés « droits ; par conséquent leurs interactions chirales, de type  clé-serrure, sont  également opposés, de même que leurs effets biologiques !

Or, des mécanismes similaires ont été observés avec certains processus de l’industrie agro-alimentaire, comme les traitements alcalins ou le chauffage : les peptides de type D augmentent, expliquant peut être les dangers des aliments ultra-transformés.  Même la proline du lait lévogyre se transforme en proline dextrogyre, après un simple passage au micro-ondes, ce qui modifie sa digestibilité et sa valeur biologique. Il semblerait notamment que les peptidases permettant de rompre les liaisons peptidiques  L-L fonctionnent moins bien sur une forme D (liaisons D-D, L-D ou D-L), modifiant profondément leur action. Le danger serait alors de voir se former des protéines toxiques, avec des effets secondaires néfastes sur la santé. C’est d’ailleurs ce que Caroll Lewis évoque, dans son roman « Alice aux pays des merveilles » quand Alice dit à son chat :  « peut-être que le lait de l’autre côté du miroir n’est pas bon à boire ?

Importance de la chiralité en pharmacie

C’est probablement le scandale de la thalidomide dans les années 1950 qui a permis de pointer du doigt l’importance de la chiralité pour les médicaments. Développé comme sédatif et anti-nauséeux, ce médicament a été largement prescrit chez les femmes enceintes, exprimant soudain une toxicité jusque-là inconnue : un effet tératogène sur le fœtus.

Des études ultérieures ont permis de mieux comprendre les causes de cet échec, responsables de 12 000 cas de malformations fœtales, ayant conduit à la mort en moins d’un an pour 1/3 des cas.  La thalidomide se présente en effet comme une molécule chirale sur son Carbone C-10, porteur de la fonction iso-indole. Il a été alors prouvé que la thalidomide L possède bien des propriétés anti-nauséeuses bénéfiques, alors que la forme dextrogyre a un effet tératogène.

Depuis, la différence d’action de médicaments chiraux a été prouvée pour de nombreux produits, comme l’éthambutol (énantiomère antituberculeux, mais énantiomère R responsable de cécité), les anesthésiques locaux (forme D moins anesthésique et plus toxique pour le cœur), le naxopren (forme S anti-inflammatoire, forme R hépato-toxique), le propanolol (seule la forme L est antagoniste d’adrénocepteur), …

C’est ainsi que la pharmacologie a développé une nouvelle approche stéréochimique, permettant de proposer les molécules chirales sous forme de l’énantiomère le plus actif. C’est une demande imposée depuis 1992 par la FDA américaine ou l’Agence européenne pour l’évaluation des médicaments, où chaque énantiomère doit être désormais évalué individuellement en termes d’efficacité et de toxicité.

Alors que la symétrie a longtemps été le paradigme de notre vision du vivant, à l’image de l’Homme de Vitruve de Léonard de Vinci, la découverte de la chiralité a montré qu’une forme d’asymétrie était cosubstantielle à la vie organique. Il est intéressant de constater que différentes médecines avaient déjà fait ce constat… il y a des siècles. En effet, bien avant les découvertes de la médecine quantique, différentes observations avaient démontré l’existence d’un couple matière / énergie, reposant sur une forme d’opposition entre deux polarités.

Médecines traditionnelles et chiralité

Dès le 3ème siècle av. JC, une philosophie comme le taoïsme avait effectivement introduit la notion de deux entités, ou forces opposées, le ying et le yang, symbolisées par le taijitu, cercle dans lequel elles s’enroulent sans fin ; cette dualité Yin Yang sera reprise ensuite par la médecine chinoise et par l’acupuncture:

• Le Yang correspond au sens gauche lévogyre, il produit de l’énergie
• Le Yin correspond au sens droit dextrogyre, il produit de la matière.

Ainsi, le sens de rotation à droite (horaire) était assimilé à des qualités de nature  « masculine », l’activité et la volonté dans sa connotation positive, et la violence et l’agressivité dans leur connotation négative.  Inversement, le sens de rotation à gauche favoriserait une tendance Yin de nature « féminine », exprimant une forme d’entente et de compassion dans sa connotation positive, ou de faiblesse dans sa connotation négative.

Ces notions sont reprises en acupuncture conventionnelle, en acupuncture photonique ou encore en médecine ayurvédique.

Photothérapie et lumière polarisée chirale

La lumière est constituée de “grains de lumière” appelés photons, dont la particularité est de se comporter à la fois comme une particule et comme une onde électromagnétique. Le photon tourne également sur lui-même, d’un tour complet, c’est ce que l’on appelle « le spin », et selon son sens de rotation, il sera polarisé circulairement à droite ou à gauche : le photon est donc une particule chirale, bien que certains physiciens préfèrent parler d’hélicité droite ou gauche du photon.

A noter que la polarisation linéaire, correspond à un état de polarisation « nul » du photon, c’est-à-dire à la superposition des 2 états polarisés circulaires, droit et gauche, qui s’annulent et s’aplatissent en une onde plane.

La polarisation linéaire n’est donc pas « chirale », et dans la nature cet état de polarisation sert principalement à certains insectes de pouvoir se repérer et se déplacer grâce à ces fils de lumière, à la façon d’une carte de navigation !

En revanche la polarisation circulaire est largement utilisée dans les espèces vivantes comme moyen de communication ou de détection : ainsi l’état chiral ou de polarisation circulaire d’un signal permet de le transmettre avec une plus haute performance et sélectivité (chirale), sans interférence ni perte.

Une équipe scientifique américaine ( Dr Y.Omura) a trouvé une dynamique chirale au niveau de certains points d’acupuncture  avec une oscillation entre le L-tryptophane, précurseur de la sérotonine, et la sérotonine. Pour le Dr Loones, les méridiens sont des fibres optiques biologiques et les points d’acupuncture des oscillateurs à couple de transfert de spin, dextrogyre ou lévogyre ; par conséquent les méridiens sont des réseaux photoniques à chiralité droite ou gauche !

L’Hypothèse du réseau photonique chiral permet de comprendre comment les systèmes vivants peuvent sélectionner, et capter, les signaux extérieurs nécessaires à leur Homéostasie, sans aucune interférence avec la cacophonie d’ondes et de signaux de leur environnement. La source « naturelle » de ces signaux extérieurs essentiels aux systèmes vivants ne peut être que chirale : c’est la lumière polarisée circulaire du soleil.

Le choix d’une lumière polarisée circulaire comme la LMPC97+ utilisée en bio-photothérapie permet donc de recréer des interactions énergétiques reprenant le principe de chiralité, essentiel à la vie. En ce sens, cette lumière offre des propriétés 100% naturelles, ou « bio-like » à la différence de toutes les autres sources de lumières artificielles, comme les LED classiquement utilisées en photothérapie ou en luminothérapie traditionnelle.