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TRAITEMENT DE L'EAU

 


TRAITEMENT DE L'EAU
Le traitement de l'eau en 6 questions


traitement de l'eau - par Gabrielle Carpel, Gautier Cariou, Clément Delorme, Martin Koppe dans dlr n°51 daté septembre 2012 à la page 82 (2092 mots) | Gratuit
Stations de potabilisation et stations d'épuration doivent adapter leurs technologies pour être en conformité avec les normes de qualité de l'eau et satisfaire aux exigences de santé publique.

1. Quels sont les nouveaux polluants de l'eau ?
Ils sont nombreux et omniprésents ! 950 pesticides, hydrocarbures, métaux et autres composés organiques ont été recherchés dans les milieux aquatiques français de 2007 à 2009. Et pas moins de 413 d'entre eux y ont été détectés. Ils sont désignés par le terme de « micropolluants », non pas à cause de leur taille, mais parce qu'ils sont présents en très faibles quantités dans le milieu : moins d'un microgramme par litre. Surtout issus de l'agriculture et de l'industrie, ces derniers sont susceptibles d'affecter la santé et l'environnement, y compris à très faible dose.

Parmi les produits qui dépassent le plus souvent les normes dans les cours d'eau, on trouve des herbicides, tels que l'isoproturon (employé dans la culture du blé et de l'orge), le diuron (utilisé dans les plantations de canne à sucre et de bananiers) ou l'atrazine. Ces deux dernières substances sont interdites, respectivement depuis 2008 et 2003, à cause de leur durabilité dans l'environnement. Au final, seuls 7,6 % des cours d'eau étudiés ne contenaient aucune trace de pesticide. Les milieux aquatiques contenaient également des hydrocarbures aromatiques polycycliques issus de diverses combustions et des polybromodiphényléthers, ou PBDE, utilisés pour les objets ignifugés.

Le problème, c'est que les micropolluants sont trop nombreux pour faire l'objet d'un traitement au cas par cas. Et ils sont loin d'être supprimés par les techniques d'épuration classiques des eaux usées. Ainsi, un des procédés les plus courants de traitement de l'eau, les boues activées, laisse passer plus de 70 % de certains micropolluants, au rang desquels des antidépresseurs, comme le diazépam (Valium), des bronchodilatateurs, tel le salbutamol (Ventoline), et les herbicides diuron et isoproturon.

2. Est-il obligatoire pour une ville ou une usine de traiter ses eaux usées ?
Oui. Pas question de rejeter l'eau directement dans les cours d'eau sans la traiter au préalable. C'est pourquoi villes et villages sont reliés à un réseau collectif dans lequel les eaux usées convergent vers une ou plusieurs stations d'épuration. La taille des stations et le type de traitement utilisé varient en fonction de la quantité de pollution émise par habitant. Cette dernière est évaluée via l'indice « équivalent-habitants » (EH), qui correspond à un taux de pollution fixé par la législation européenne. Lyon est ainsi pourvue de deux stations de près d'un million d' EH chacune, tandis qu'à Lopérec, village de Bretagne, cette capacité se limite à 100 EH.

Après une enquête publique, certaines communes peuvent prendre la décision de ne pas se raccorder au réseau collectif. Souvent, il s'agit de lieux isolés pour lesquels le raccordement est trop compliqué à réaliser et coûterait trop cher. En France, cela concerne 10 % de la population : les habitants construisent alors d'une installation et épurent eux-mêmes leurs eaux usées. Dans ce cas, la commune doit mettre en place un service public, dit « d'assainissement non collectif », qui se charge du contrôle de ces installations au moment des travaux, puis au moins une fois tous les huit ans.

Les industriels peuvent, eux aussi, se raccorder au réseau collectif, sous réserve d'obtenir l'autorisation des collectivités. Selon la nature et la quantité des polluants fixées par le Code de la santé publique, le maire prend la décision d'accepter ou non le déversement des effluents industriels dans le réseau. Nombreuses sont les usines qui ne sont pas raccordées et qui possèdent leur propre station d'épuration. C'est le cas, notamment, des usines de traitement de surfaces métalliques. Elles utilisent des réactifs corrosifs et non biodégradables, qui pourraient mettre en péril à la fois le traitement biologique par boues activées, le réseau d'assainissement et les travailleurs qui l'entretiennent. Du point de vue pénal, la loi prévoit jusqu'à deux ans d'emprisonnement et 75 000 euros d'amende en cas de pollution de l'environnement.

3. Quel procédé est le plus utilisé dans les stations d'épuration ?
Les installations françaises utilisent surtout une méthode biologique de traitement : le procédé des boues activées. Cette technique, très adaptée au traitement de gros volumes d'eau des grandes et moyennes collectivités, est mise en oeuvre dans de vastes bâtiments en béton. Elle tire parti de l'appétit de micro-organismes, lesquels se développent naturellement dans les eaux usées.

Les eaux à traiter sont mises en présence d'un ensemble de bactéries capables de digérer les pollutions biodégradables. Concentrés dans des réacteurs, les micro-organismes se regroupent en flocons et circulent librement dans le bassin. Ces flocons forment, par décantation, les boues activées. Une fois la dépollution terminée, on peut les récupérer sans utiliser de réactifs chimiques.

Ce procédé se révèle très efficient. En présence d'oxygène, au moins 90 % des pollutions carbonées sont éliminées en quelques heures. Les bactéries qui se développent dans cet environnement captent les résidus organiques issus des matières fécales dissoutes dans l'eau et les utilisent pour se multiplier. Cette méthode est aussi la seule qui permette d'effectuer le plus efficacement un traitement des phosphates et des dérivés de l'azote. Cependant, les conditions requises par les bactéries pour traiter ces polluants sont différentes. Les bactéries déphosphatantes éliminent jusqu'à 60 % des phosphates provenant des lessives. Pour cela, il faut les priver d'oxygène. Elles libèrent alors dans l'eau leurs phosphates intracellulaires. Elles sont ensuite placées dans un milieu oxygéné : elles réabsorbent alors davantage de phosphates qu'elles n'en ont perdus.

Les dérivés azotés, eux (des résidus ammoniacaux issus de l'urine et des détergents), subissent un traitement inverse. Les micro-organismes oxydent l'ammoniaque en nitrates en présence d'oxygène, puis les libèrent sous forme d'azote gazeux dans un environnement désoxygéné.

Utilisé depuis environ huit décennies, ce procédé profite d'un fort retour d'expérience et s'en trouve parfaitement maîtrisé. Depuis neuf ans, il est parfois combiné avec une technique de culture fixée sur lit fluidisé, pour gagner en compacité. À ce jour, il procure les rendements d'épuration les plus satisfaisants au regard des politiques européennes et permet de traiter des volumes d'eaux usées importants à des coûts raisonnables. Même si quelques ombres noircissent ce tableau, comme la consommation énergétique importante de ces stations, due à l'oxygénation des bassins, ou encore l'intégration dans le paysage de ces grands ouvrages.

4. Quels procédés distinguent une station d'épuration d'une station de potabilisation ?
La station de potabilisation, en amont de la chaîne de l'eau, permet de fournir l'eau potable qui sort du robinet. En aval, la station d'épuration sert à retraiter les eaux usées. Produits de nettoyage, matières fécales, graisses et autres déchets issus des villes et des industries doivent être retirés avant de rejeter les eaux usées dans le milieu naturel. En 2011, la France comptait quelque 19 300 stations d'épuration.

La qualité de l'eau demandée en sortie des deux types d'usines n'est pas la même : elles n'utilisent donc pas les mêmes procédés. Si les techniques de traitement de l'eau diffèrent d'une usine française à l'autre, il existe des procédés communs.

Pour rendre l'eau potable, les usines de potabilisation « standard » proposent un déroulement en cinq grandes étapes. D'abord, les eaux brutes passent par le dégrillage et le tamisage qui filtrent les plus gros déchets, du type feuilles, insectes ou papier toilette. Au cours de la floculation, on rajoute à cette eau un coagulant, qui permet de regrouper les particules solides en flocons. Ces derniers tombent alors au fond du bassin, où ils sont récupérés. L'eau est ensuite filtrée à travers un filtre de sable, puis sur un filtre de charbon actif - poudre noire composée de matière carbonée -, qui bloque les derniers déchets invisibles, comme les pesticides. Si l'eau contient des bactéries ou des virus, ils sont éliminés par l'ozone, bactéricide. Enfin, l'eau reçoit régulièrement du chlore à différents points du réseau de distribution, afin d'empêcher le redéveloppement de bactéries.

Les usines d'épuration n'ont, quant à elles, pas besoin de réaliser un traitement aussi poussé : l'eau rejetée n'a pas vocation à être potable. Elle est d'abord traitée, comme dans les usines de potabilisation, par le passage dans des grilles. Ensuite, elle subit un dessablage et un déshuilage. Sables et graviers se déposent au fond, puis sont évacués. Les graisses remontent à la surface, grâce à des injections d'air, avant d'être collectées. Vient ensuite la décantation, au cours de laquelle les matières présentes dans l'eau se déposent au fond du bassin, pour être récupérées par raclage. Pour éliminer les polluants organiques encore présents dans l'eau, on utilise l'oxygène et les boues activées, composées essentiellement de micro-organismes. Ces boues sont ensuite extraites de l'eau, grâce à l'étape de clarification. Certaines stations d'épuration rajoutent une dernière étape de désinfection aux UV. L'eau peut enfin être rejetée dans les fleuves et les rivières.

5. Quels sont les critères pour qu'une eau soit potable ?
Soixante-trois : c'est le nombre de paramètres principaux à respecter pour avoir une eau propre à la consommation humaine en France. Ils vont de critères microbiologiques (l'absence de bactéries et de virus) à des paramètres chimiques. Les nitrates ne doivent pas dépasser une « concentration maximale admissible », par exemple.

À l'inverse, certaines substances considérées comme indispensables à l'organisme doivent être présentes à faibles doses, tels les oligoéléments (iode, fer, etc.). L'eau potable doit être une eau que l'on peut boire sans risque pour la santé. Mais pas seulement. Le goût, l'odeur, la couleur et même le fait que l'eau soit trouble font partie des critères de potabilité définis par la législation française. Ainsi, la couleur de l'eau doit être « acceptable pour les consommateurs » et n'avoir « aucun changement anormal ».

Les eaux de source et les eaux minérales sont aussi des eaux potables. Issue des nappes souterraines non polluées, l'eau de source est naturellement propre à la consommation. Les eaux minérales sont des eaux de source avec une teneur constante en sels minéraux et en oligoéléments. Ces deux eaux ne subissent que très peu ou pas du tout de retraitement.

L'eau du robinet est, elle, définie comme potable à la sortie des usines de potabilisation. Mais toutes les eaux ne sont pas destinées à entrer dans ces installations. En particulier, les eaux usées, issues des canalisations et des usines. L'eau destinée à être potabilisée doit répondre à un certain nombre de critères. La qualité de l'eau en entrée de station de potabilité permet de déterminer le traitement plus ou moins poussé en usine. On pourrait imaginer, à tort, que toutes les eaux potables sont identiques. Si elles entrent toutes dans les normes légales, elles sont plus ou moins chargées en oligo-éléments ou en produits toxiques.

Enfin, l'état du réseau de distribution joue un rôle important sur la qualité de l'eau arrivant chez le consommateur. Une eau peut être très propre en sortie d'usine de potabilisation, mais si le réseau est défectueux, elle perdra en qualité.

6. Quel est l'état de la ressource en eau douce ?
L'eau est abondante sur Terre. Elle occupe un volume total de 1,4 milliard de kilomètres cubes. Cependant, l'eau douce ne représente que 2,8 % des ressources mondiales en eau. Tout le reste est de l'eau salée. Définie par une salinité inférieure à 3 grammes par litre, l'eau douce est principalement contenue dans les glaciers (70 %). Celle utilisée par l'homme est puisée dans les eaux souterraines, les lacs et rivières (30 %). Cela réduit à 0,84 % le volume d'eau total exploitable par l'homme.

En France, à part certaines sources identifiées, comme à Évian-les-Bains, l'eau douce n'est pas considérée comme potable. Il est donc indispensable de la traiter pour pouvoir la consommer en toute sécurité. On estime à 2 000 milliards de mètres cubes le volume d'eau souterraine stockée en France. Et celle qui coule du robinet provient à 67 % de la potabilisation de cette ressource.

D'après le bureau de recherches géologiques et minières, 30 à 40 milliards de mètres cubes par an sont puisés dans les nappes d'eau souterraine françaises. L'autre partie est tirée des eaux de surface. La qualité des ressources souterraines est évaluée sur des critères à la fois chimiques et quantitatifs. Ainsi, on qualifie une masse d'eau de « bonne ressource souterraine » si elle ne dépasse pas le taux de polluants imposé par la législation européenne. Une eau souterraine profonde, bien protégée, sera souvent de bonne qualité par rapport aux eaux superficielles (lacs, rivières), lesquelles nécessiteront un traitement plus énergivore et plus complexe. Mais ce n'est pas tout. Pour avoir une ressource souterraine de bonne qualité, il faut aussi que le volume d'eau prélevé dans cette ressource ne dépasse pas sa capacité de renouvellement. En 2009, un rapport rédigé par Eaufrance estime que 89 % des ressources souterraines françaises respectent cette condition.

Par Gabrielle Carpel, Gautier Cariou, Clément Delorme, Martin Koppe

 

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MICROBIOTE INTESTINAL

 

Paris, 15 septembre 2015
Le microbiote intestinal : acteur incontournable de la régulation du fer dans notre organisme

Les bactéries de notre intestin agissent-elles sur le métabolisme du fer, élément essentiel à la bonne santé de l'organisme ? Pour la première fois, des équipes de l'Inra et de l'Inserm, en collaboration avec le CNRS, ont montré comment les bactéries modifient les capacités de distribution et de stockage du fer dans les cellules intestinales. Le microbiote peut être considéré comme un nouveau régulateur physiopathologique de l'absorption intestinale du fer. Ces travaux sont publiés en ligne dans The Faseb Journal le 15 septembre 2015.
Téléchargez le communiqué de presse : Microbiote intestinal_Fer


Références :
The microbiota shifts the iron sensing of intestinal cells. Jean-Christophe Deschemin, Marie-Louise Noordine, Aude Remot, Alexandra Willemetz, Clément Afif, François Canonne-Hergaux, Philippe Langella, Zoubida Karim, Sophie Vaulont, Muriel Thomas, Gaël Nicolas.
January 2016 print issue of The FASEB Journal.
doi: 10.1096/fj.15-276840 fj.15-276840


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PREMIRE SPERMATOGNSE IN VITRO

 

Paris-Lyon, 17 septembre 2015
Première spermatogénèse humaine in vitro

Obtenir des spermatozoïdes humains complets in vitro à partir de prélèvements effectués chez des hommes infertiles : c'est la première mondiale réalisée par Kallistem. Cette start-up issue de l'Institut de génomique fonctionnelle de Lyon (CNRS/Inra/Ecole normale supérieure de Lyon/Université Claude Bernard Lyon 1) a développé une technologie de thérapie cellulaire permettant la différenciation des cellules souches germinales1 afin de produire, hors du corps, des spermatozoïdes morphologiquement normaux. Leur technologie a fait l'objet d'un dépôt de brevet publié en juin 2015. Elle a été présentée lors d'une conférence de presse le 17 septembre 2015, à Lyon.
Plusieurs équipes dans le monde tentent depuis plus de quinze ans de réaliser in vitro une spermatogenèse humaine, un processus physiologique complexe et long de 72 jours (contre 34 pour la souris). Le défi a été relevé par Philippe Durand, directeur scientifique de Kallistem et ancien directeur de recherche Inra, et Marie-Hélène Perrard, chargée de recherche CNRS2, co-fondatrice de Kallistem. Ces deux spécialistes de la spermatogenèse in vitro savaient déjà isoler les "tubes séminifères" (lieu de production des spermatozoïdes) sans altération et à partir de tissus testiculaires. Cependant, le confinement de ces tubes séminifères n'était pas suffisamment efficace et stable pour qu'ils fonctionnent in vitro pendant toute la durée de la spermatogénèse. Grâce à une collaboration avec Laurent David, professeur de l'université Claude Bernard Lyon 1, membre du laboratoire Ingénierie des matériaux polymères (CNRS/Université Claude Bernard Lyon 1/Insa/UJM), les chercheurs ont pu assurer un confinement propice des tubes séminifères pour une spermatogénèse intégrale très proche des conditions in vivo. Ils ont pour cela conçu un bio-réacteur utilisant du chitosane : une substance naturelle présente dans la paroi de champignons ou pouvant être produite à partir de chitine, composant la carapace de crustacés. Fin 2014, les chercheurs ont ainsi réussi, pour la première fois, à produire in vitro des spermatozoïdes humains. Un brevet décrivant l'ensemble du dispositif, "Artistem", a été publié le 25 juin 2015.

Cette avancée ouvre des pistes thérapeutiques attendues depuis de nombreuses années par les cliniciens. En effet, aucun traitement n'existe aujourd'hui pour préserver la fertilité des jeunes garçons pré-pubères soumis à un traitement gonadotoxique, comme certaines chimiothérapies : or plus de 15 000 jeunes patients atteints de cancer sont concernés dans le monde. Il n'existe pas non plus de solution pour les 120 000 hommes adultes qui souffrent d'infertilité non prise en charge par les technologies actuelles3. Avec le procédé Artistem, Kallistem espère répondre aux besoins de ces deux types de patients. A partir d'une biopsie testiculaire effectuée chez ces hommes infertiles, les chercheurs pourront obtenir in vitro des spermatozoïdes par maturation des spermatogonies4, disponibles même chez les garçons pré-pubères. Les spermatozoïdes obtenus seront utilisés en fécondation in vitro avec micro-injection dans l'ovocyte, et pour les plus jeunes patients, les spermatozoïdes pourraient être cryo-conservés jusqu'au désir de paternité. Avant de confirmer la possibilité de telles applications, la qualité des spermatozoïdes produits devra être analysée. Tout d'abord, à partir des modèles de rongeurs, les ratons nés à partir de spermatozoïdes formés in vitro seront étudiés d'un point de vue physiologique et comportemental pour vérifier notamment la normalité des organes et la capacité à se reproduire. Puis, des gamètes humains seront étudiés d'un point de vue biochimique et épigénétique. Conformément à la réglementation, des évaluations cliniques seront effectuées ensuite.


spermoto
© M.H.Perrard, CNRS - Kallistem
Un des spermatozoïdes humains développés in vitro à partir de spermatogonies prélevées chez un individu.
En savoir plus :
Kallistem : www.kallistem.com 
Numéro et date de publication du brevet: WO2015092030-2015-06-25

Des images sont disponibles sur le site de la photothèque du CNRS. Pour obtenir les images en haute définition, contacter : presse@cnrs.fr

Pour télécharger le dossier de presse : DP Kallistem en Ligne


Notes :
1 Cellules reproductrices d'un être vivant, transmettant les caractères héréditaires.
2 Rattachée administrativement à l'Institut cellule souche et cerveau (Inserm/Université Claude Bernard Lyon 1).
3 C'est notamment le cas de l'azoospermie, une absence totale de spermatozoïdes dans le sperme qui peut être due à une obstruction des canaux transportant le sperme ou à un problème de formation des spermatozoïdes au niveau des tubes séminifères.
4 Cellules produites dans les testicules dès l'embryon mais qui subissent une succession de mitoses suivie d'une méiose uniquement à partir de la puberté pour évoluer vers une forme progressivement aboutie de spermatozoïde.

 

 DOCUMENT         CNRS         LIEN

 
 
 
 

MODLISATION ET BIOLOGIE

 

Cyril Da - 17/12/2013

Modélisation et biologie, récit d'une collaboration à succès

Christophe Godin et Teva Vernoux
Christophe Godin et Teva Vernoux    - © Inria
Christophe Godin, de l'équipe Inria Virtual Plants, et Teva Vernoux, du Laboratoire de reproduction et développement des plantes (CNRS/ENS Lyon/INRA/UCBL) ont mené un projet dont les résultats jettent une lumière nouvelle sur la façon dont les plantes forment ces étonnants et universels arrangements d’organes en spirales ou en couronnes. Au total, 23 chercheurs et ingénieurs de domaines disciplinaires variés ont contribué à cette découverte qui fait l'objet d'une publication dans la revue de référence Nature en décembre. Interview croisée.

Comment avez-vous été amenés à travailler ensemble ?
Teva Vernoux : Au départ nous travaillions tous les deux sur la phyllotaxie, l'architecture primaire des plantes. Chez un très grand nombre d’espèces, cette phyllotaxie est spiralée, c'est-à-dire que les organes latéraux sont distribués en spirale autour d'un axe, avec un angle de 137° environ entre chacun.

Christophe Godin : C'est ce qu'on appelle « l'angle d'or ». Cet angle est relié au fameux nombre d’or, utilisé depuis des siècles en architecture ou en peinture, qui était supposé établir des proportions idéales entre les différentes parties d’un bâtiment ou d’un corps. Curieusement, il est également présent au cœur des végétaux…

T.V. :  En outre, cet angle était considéré comme relativement immuable chez une grande majorité de plantes à phyllotaxie spiralée. Mais, en travaillant sur une plante mutante (plante pour laquelle un unique gène est changé par rapport à la plante non mutante, dite « sauvage »), mon thésard Fabrice Besnard a noté des déviations importantes de l’angle de 137,5°. Certaines de ces déviations revenaient régulièrement, faisant un motif remarquable dans la séquence des angles sur la tige du mutant. Très vite, il s'est rendu compte que ce motif pouvait s'expliquer très facilement par une permutation de deux organes le long de la tige à l’endroit où apparaît le motif. Cependant, des perturbations beaucoup plus complexes apparaissaient également en nombre très important chez le mutant. On s’est aperçu qu’elles apparaissaient aussi chez le sauvage quoique beaucoup plus rarement. Ces perturbations étaient tellement incompréhensibles qu’elles faisaient penser à une sorte de bruit. Pourtant, il y avait ces motifs reconnaissables au beau milieu…

Nous avons donc imaginé que cela pouvait être en fait des permutations plus complexes, impliquant plus d’organes. Fabrice a commencé de vérifier cette hypothèse à la main. Mais avec 2000 ou 3000 angles par phénotype on s'est vite rendu compte que c'était un véritable casse-tête. Il nous fallait mettre en place une démarche analytique précise. Connaissant les approches mathématiques et statistiques de l’équipe Virtual Plants, on est donc descendu à Montpellier pour rencontrer l’équipe de Christophe et voir s’ils pouvaient nous aider à résoudre ce problème.

CG : La question était en effet compliquée. À première vue, le signal correspondant à ces suites d’angles ne semblait contenir presque aucune logique. On aurait dit une sorte de bruit. Nous avons évalué à ce moment-là la possibilité de formaliser mathématiquement le problème et de construire des algorithmes qui nous permettent de trancher avec certitude si oui ou non il s’agissait de permutations cachées. Avec mon thésard Yassin Réfahi, ainsi qu’Etienne Farcot et Yann Guédon chercheurs dans l’équipe, nous avons donc commencé à analyser le problème sous un angle mathématique. Une première analyse théorique sur les langages de permutations, c’est-à-dire sur les motifs (ou mots) que peuvent engendrer des permutations de n organes, nous avons montré, de façon un peu inattendue, que des motifs assez complexes pouvaient émerger de l’enchaînement de plusieurs permutations sur une même tige, même si celles-ci n’impliquent chacune que très peu d’organes.

  Les algorithmes ont validé l’hypothèse à 95% 
Teva Vernoux : Ces premiers résultats étaient encourageants car ils donnaient une piste plausible d’interprétation de ce qui se passait sur les tiges du mutant : des permutations d’un nombre limité d’organes mais assez fréquentes chez le mutant et moins fréquentes chez le sauvage.

Christophe Godin : Il restait toutefois à le démontrer sur les données réelles. Pour cela on a développé des techniques qui permettaient d’aborder le problème dans deux sens complémentaires 1. En faisant l'hypothèse a priori qu'il y avait des permutations dans les données et en quantifiant la vraisemblance de cette hypothèse et 2. En extrayant les motifs statistiquement les plus fréquents dans les données, sans a priori, et en vérifiant a posteriori que l’ensemble des motifs ainsi extraits correspondaient bien à des langages de permutation.

Modélisation de plantes vue sur écran d'ordinateur.
Travaux de l'équipe Virtual Plants    - © Inria / Photo C. Lebedinsky
T.V. : Les algorithmes ainsi construits nous ont permis de valider l’hypothèse des permutations avec une grande confiance : on a pu expliquer à plus de 95% les déviations par rapport à l'angle de 137,5° par des permutations à 2 ou 3 organes.

C.G. : Ce n’était donc pas tant la taille des permutations qui rendait le problème épineux que la fréquence et la complexité de leur enchainement.

T.V. : Au fur et à mesure, la certitude grandissait pendant ce travail que nous avions bien affaire à des permutations et ça nous donnait des pistes à explorer pour savoir où regarder dans l’analyse biologique.

C.G. : La question devenait : « comment la mutation de ce seul gène pouvait-il engendrer une telle cascade de permutations ? »

T.V. :  Il fallait revenir au niveau du méristème, et comprendre ce qui se passe dans ce tissu qui contrôle en premier lieu la mise en place de l’architecture de la partie aérienne. En effet c’est le patron spatio-temporel de l’initiation des nouvelles fleurs dans le méristème qui va déterminer leur position relative et qui est le premier déterminant de leur positionnement ultérieur sur la tige de l’inflorescence.

  Peu d’études jusqu’ici s’étaient intéressées aux perturbations de la phyllotaxie 
C.G. : L’histoire de l’étude de la phyllotaxie est longue et riche. Elle a conduit à bâtir un modèle de son fonctionnement communément admis aujourd’hui. Ce « modèle standard » dit que, dans le méristème, chaque organe interdit à un autre organe de se créer dans son voisinage immédiat. Celui-ci émet ce que l’on appelle un « champ inhibiteur ». On peut montrer que cette simple hypothèse des champs inhibiteurs permet d’obtenir tous les types de phyllotaxie connus dans le règne végétal.

T.V. : Cependant peu d’études jusqu’ici s’étaient intéressées aux perturbations de la phyllotaxie et à leur compatibilité avec le modèle standard. Probablement parce que l’idée de symétrie associée à ces motifs en spirales était si forte que les imperfections étaient la plupart du temps mises sur le compte d’un banal bruit biologique sans importance.

C.G. : Mais devant ces perturbations remarquables que nous venions de découvrir, il fallait aller plus loin : si les permutations d’organes observées sur l’inflorescence indiquent des permutations de l’ordre d’initiation des organes dans le méristème, est-ce que cela ne devrait pas déstabiliser complètement le système des champs d’inhibition, régulier comme une horloge ?

T.V. : Dans notre cas, le fait d’avoir des hypothèses précises à tester nous a permis de mettre au point un protocole expérimental adapté utilisant des développements technologiques récents, tel que l’imagerie de méristèmes vivants qui permet de suivre la dynamique de l’initiation des fleurs dans le méristème. Grâce à ces méthodes, on a démontré que dans le meristème, les organes ne sont en réalité pas permutés. Ils sont en fait de temps en temps co-initiés, c’est à dire que plusieurs fleurs peuvent être initiées en même temps alors qu’en temps normale elles apparaissent les unes après les autres à intervalles réguliers. Nous avons observé que ces co-initiations sont, de façon assez surprenante, relativement fréquentes chez les plantes sauvages et que leur fréquence augmente chez les plantes mutantes.

C.G. : C’est ensuite seulement que se produisent les permutations, pendant la phase de croissance où les organes co-initiés se rangent dans un ordre aléatoire le long de la tige, induisant de temps en temps en fonction de l’aléa des permutations.

T.V. : Toujours grâce à l’imagerie et à la biologie moléculaire, nous avons ensuite pu également expliquer comment le gène mutant est impliqué dans la définition des champs d’inhibition et induit par son action une augmentation significative des co-initiations dans le mutant et donc des permutations. C'est ça qu'on publie avec Fabrice Besnard et l’équipe de Christophe dans Nature  : on part de l'architecture pour aller vers le méristème puis vers un mécanisme qui explique très bien comment ça fonctionne.

Qu'est-ce que vous n'auriez pas pu faire l'un sans l'autre ?
Christophe Godin : Dans ce cas, c’est l’observation biologique et la question posée au départ par Teva qui sont à l’origine de tout. Si on veut comprendre un objet biologique, il faut le secouer, casser un truc dedans, le modifier et le remettre... et aujourd’hui, ce travail fait appel à des développements pointus en biologie moléculaire et en génétique, ce n'est pas mon métier.

Teva Vernoux : Si on n'avait pas eu ce contact avec Christophe, on serait probablement arrivé à décrire ce qui se passait au niveau du méristème, mais pas à ce degré de profondeur et de conceptualisation du problème qui rejaillit sur le mécanisme même de la phyllotaxie. Travailler à l'interface est extrêmement enrichissant.

Que retenez-vous de ce travail interdisciplinaire ?
C.G. : Il faut que les deux parties aient faim de bosser ensemble. Si une équipe de biologistes va voir une équipe de mathématiciens et que leurs problèmes biologiques ne les accrochent pas, ça va rester stérile.

T.V. : D'autant que tout biologiste ne va pas avoir forcément envie de poser des questions d’une manière qui peut intéresser des mathématiciens ou informaticiens...

C.G. : Teva nous a proposé un objet de réflexion avec ses mots et ses concepts. Au départ, la question n’est même pas forcément clairement formulée. Mais le problème est là. L’intérêt de mon côté nait de ce que d’une manière ou une autre, il peut faire écho à mes propres questions. On commence alors à se dessiner, maladroitement au début, l’objet de réflexion perçu par l’un et par l’autre. Tout l'enjeu de la collaboration est ensuite de construire cet objet ensemble. Chacun amène des idées, teste leur cohérence, explore des pistes, se convainc puis tente de convaincre l'autre.

T.V. : C'est comme une sculpture à quatre mains. On apporte le matériau sur la table, on commence par dégrossir, et puis on fignole, parfois chacun un peu de son côté, parfois sur des zones communes et on essaie de converger.

C.G. : Cette sculpture est elle-même une œuvre interdisciplinaire et partagée, même si les questions posées ne sont pas symétriques au départ. Si l’objet restait l’œuvre de l’un des acteurs seulement, on serait plus dans quelque chose de l'ordre du service ou du conseil.

T.V. : On est venu avec une première idée. Après on a vraiment élaboré la direction du projet à partir de ça. Quand on a eu l'idée qu'il y avait une analyse statistique possible de nos mesures des angles entre les siliques, on s'est dit qu'il y avait quelque chose à construire et on a pris le temps de le faire.

C.G. : On se connaissait déjà assez bien avant la première réunion, on connaissait mutuellement nos travaux. Et on sait qu'on partage ce goût pour des objets communs, même si on n'a pas les mêmes outils...

T.V. : Petit à petit, on élabore un langage commun, et pour ça il faut beaucoup échanger. Ça prend du temps et il faut de la patience. Mais avec le temps la communication va de plus en plus vite, est plus valorisante et devient même très efficace.

C.G. : La puissance des outils technologiques qui se développent aujourd’hui - microscopie laser, la biologie moléculaire, bio-informatique -, nous donne accès à des parties inexplorées du monde, à de nouvelles échelles. On est un peu démuni face à la complexité des systèmes qui apparaissent. Les outils traditionnels des biologistes ont besoin de s’adapter. C’est une opportunité considérable pour les mathématiques et l’informatique de découvrir de nouvelles inspirations.

 

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