Jean-Pierre Sauvage, un Nobel pour les machines moléculaires

05.10.2016, par La rédaction
Jean-Pierre Sauvage
 Catherine Schroder/Unistra

Le Français Jean-Pierre Sauvage vient de se voir attribuer le prix Nobel de chimie en compagnie de l'Écossais Fraser Stoddart et du Néerlandais Bernard Feringa, pour leurs travaux sur les machines moléculaires.
Ce sont trois spécialistes des machines moléculaires que l'Académie royale des sciences de Suède vient de distinguer par le prix Nobel de chimie 2016 : Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart et Bernard Feringa. Ces scientifiques « ont développé les plus petites machines du monde (...), des molécules aux mouvements contrôlables, qui peuvent accomplir une tâche lorsqu'on y ajoute de l'énergie », explique le communiqué (link is external) publié lors de l'annonce des lauréats du prix 2016. « L'Académie ne s'est pas trompée : elle récompense bien trois pionniers majeurs de ce champ de recherche émergent, se félicite le chimiste Gwénaël Rapenne, aujourd'hui professeur à l'Université Paul Sabatier à Toulouse et qui a effectué son doctorat sous la direction de Jean-Pierre Sauvage. Ce prix va susciter un regain d'intérêt mérité pour ce domaine particulièrement prometteur ».

Le Français Jean-Pierre Sauvage, né en 1944, a mené ses recherches au CNRS de 1971 à 2014 et est aujourd’hui professeur émérite à l’université de Strasbourg. Le chimiste a effectué sa thèse à l’université de Strasbourg sous la direction de Jean-Marie Lehn (futur prix Nobel de chimie, en 1987). Il intègre le CNRS en 1971, puis effectue son post-doc à Oxford de 1973 à 1974 et devient directeur de recherche en 1979. Médaille d'argent de l'organisme en 1988, Jean-Pierre Sauvage travaille à l’Institut de science et d'ingénierie supramoléculaires1.


Même si le physicien Richard Feynman avait prédit dès les années 1950 le développement des nanomachines, l'Académie suédoise rappelle que les premiers pas significatifs vers une machine moléculaire ont été effectués par Jean-Pierre Sauvage en 1983 lorsqu'il a inventé une méthode chimique permettant d'entrelacer deux molécules en forme d'anneaux, formant ainsi une chaîne nommée caténane. D'ordinaire, les molécules sont reliées entre elles, par des liaisons covalentes fortes, dans lesquelles les atomes partagent leurs électrons. Ici, les liaisons entre les deux anneaux étaient de nature totalement différente, ceux-ci étant imbriqués l'un dans l'autre. De même, une machine, pour pouvoir fonctionner, doit être composée de différentes parties, mobiles les unes par rapport aux autres... comme les deux anneaux déjà obtenus par le chimiste français, qui ont donc préfiguré les progrès des années suivantes.

Jean-Pierre Sauvage a notamment mis au point une réaction au rendement dix fois supérieur à celui des réactions connues précédemment : les chaînes moléculaires cessaient dès lors d'être une simple curiosité. Et la possibilité de les fabriquer de manière fiable a tout naturellement conduit Jean-Pierre Sauvage à concevoir et élaborer des nanomachines. « Même si Jean-Pierre Sauvage et Fraser Stoddart, qui ont à plusieurs reprises collaboré, se sont distingués par la mise au point de procédés de synthèse chimique inédits, c'est pour le développement de véritables machines moléculaires qu'ils sont récompensés ici ! » tient à préciser Gwénaël Rapenne, membre du groupe NanoSciences au sein du laboratoire CEMES2 à Toulouse.

Les molécules-voitures (voir notre vidéo sur le sujet) font aujourd'hui partie des machines moléculaires les plus connues. Mais ce ne sont pas les seules... « Ce prix Nobel va permettre d'accélérer les avancées d'une discipline qui relève encore de la recherche fondamentale, non seulement en suscitant des vocations chez les jeunes chercheurs, mais aussi en attirant l'attention des industriels, espère Gwénaël Rapenne.  Les premières applications devraient ainsi voir le jour d'ici dix à quinze ans, par exemple dans le domaine de la robotique avec la mise au point de moteurs moléculaires qui pourraient fonctionner de concert avec des muscles artificiels ». En 2012, CNRS Le journal consacrait ainsi un dossier à la bio-inspiration, dans lequel un passage relatait les travaux de Jean-Pierre Sauvage. Extrait que nous reproduisons ci-dessous :

-----------------------------------------------------------
Des moteurs qui ont du muscle

Et s’il était possible d’imiter le muscle dans ses détails les plus fins ? C’est l’un des paris relevés il y a quelques années par les chercheurs de l’Institut de chimie de Strasbourg3, qui poursuivent leurs efforts pour développer des dispositifs appelés moteurs moléculaires. « En 2000, nous avons synthétisé un premier moteur qui mime le glissement des filaments d’actine sur ceux de myosine4 dans les muscles, raconte Jean-Pierre Sauvage, pionnier dans ce domaine. La contraction ou l’allongement de notre système se produit grâce à une réaction chimique appropriée. »


Aujourd’hui, le laboratoire alsacien poursuit ces travaux en assemblant un polymère à partir d’un moteur moléculaire initial optimisé. « On pourrait envisager d’utiliser de tels systèmes dans la fabrication de dispositifs électro-, photo-  ou chimio-mécaniques, mais il s’agit pour le moment de mimer le fonctionnement du muscle ; il est prématuré de parler de bionique », prévient Jean-Pierre Sauvage. Des moteurs d’un autre genre sont également sur l’établi. « Nous mimons le fonctionnement des protéines chaperons. Celles-ci accueillent dans leur cavité naturelle des enzymes qui ne sont plus actives, car ayant subi des déformations. Grâce à une sorte de massage, la protéine chaperon leur redonne leur forme initiale. En nous inspirant  de ce mécanisme, nous avons créé un compresseur moléculaire capable de capturer une molécule et d’en modifier la forme. »

Extrait de CNRS Le journal n° 268, septembre/octobre 2012.
------------------------------------------------
 

Jean-Pierre Sauvage, Fraser Stoddart et Bernard Feringa recevront leur prix Nobel lors d'une cérémonie en décembre prochain à Stockholm.

 

À voir : notre infographie pour explorer le palmarès des prix Nobel

 

Notes
1. CNRS/Université de Strasbourg
2. CNRS
3. Unité CNRS/Université de Strasbourg.
4. L’actine et la myosine sont les deux principaux constituants des fibres musculaires. Leur interaction dynamique permet la contraction musculaire.

 DOCUMENT        cnrs        LIEN

Paris, le 5 septembre 2016                                                                                               Des neutrons pour comprendre le secret des bactéries extrêmophiles
comme celles qui décomposent le Titanic

Les micro‐organismes Halomonas sont capables de survivre à des environnements salés très hostiles. Pour cela ils accumulent la molécule ectoïne afin de compenser les fluctuations des concentrations externes de sel. Des expériences de diffusion de neutrons ont permis d'expliquer comment l'ectoïne permet à ces bactéries de survivre : elle agit, à l’intérieur des bactéries, en maintenant les propriétés dynamiques de l'eau, essentielles à la vie.
Publié dans Scientific Reports, ce résultat a été obtenu par une collaboration de chercheurs principalement de l'Institut Laue‐Langevin, du CNRS, du CEA, de l’UGA, de l'Institut Max Planck de biochimie et de la société de biotechnologies Bitop. Il permet une meilleure compréhension de l'adaptation des microbes à des environnements extrêmes. La bactérie Halomonas présente un fort potentiel d’applications biotechnologiques dans des domaines tels que la santé, la biorestauration et la gestion des déchets.
Les micro‐organismes représentent la forme de vie la plus répandue sur Terre, et la compréhension de la façon dont ils se comportent est d'une importance capitale pour notre propre survie et notre bien‐être. La vie microbienne dispose d'une étonnante souplesse d'adaptation aux environnements extrêmes ‐ pouvant survivre par exemple dans des conditions extrêmement chaudes ou froides, acides ou basiques, salées comme dans la mer Morte ou sous haute pression comme dans les grandes profondeurs océaniques ‐ conditions qui serait préjudiciables à des organismes complexes. Ces organismes sont appelés extrêmophiles. Parmi eux les bactéries isolées à partir de marais salants ou de milieux marins comprennent une variété d'espèces intéressantes à potentiel biotechnologique élevé, telle que la bactérie Halomonas titanicae, récemment découverte dans la coque du paquebot RMS Titanic. Il a été estimé que l'action de H. titanicae produit une rouille qui pourrait entraîner la détérioration totale du Titanic vers 2030. De même, cette bactérie a été identifiée comme un danger potentiel pour les plates‐ formes pétrolières et autres objets métalliques fabriqués par l'homme et situés en mer profonde. Mais cette faculté de produire de la rouille pourrait également être mise à profit pour la biorestauration ou la gestion des déchets, par exemple pour accélérer la décomposition des épaves qui jonchent le fond des océans.
Les expériences se sont focalisées sur l'interaction de l'ectoïne avec de l'eau, des protéines et des membranes. Elles ont été menées à l'Institut Laue‐Langevin (ILL), leader mondial des sciences et technologies neutroniques, en collaboration avec l'Institut Max Planck de biochimie (MPIB), la société de biotechnologies Bitop et l'Institut de biologie structurale (IBS‐ CEA/CNRS/UGA). L'ectoïne est un composé naturel présent dans de nombreux organismes, y compris Halomonas. Elle sert de substance protectrice, en agissant comme un osmolyte ‐ une molécule qui joue un rôle dans l'équilibre des fluides et le maintien du volume des cellules et contribue ainsi à la survie des organismes sous stress environnemental extrême. L’ectoïne est considérée comme un soluté compatible dans le sens où sa présence au sein de la cellule n'interfère pas avec le métabolisme cellulaire et la biochimie. Halomonas peut produire de l'ectoïne jusqu'à une concentration intracellulaire de 20% de la masse cellulaire sèche.
Grâce à ce processus de régulation adaptatif, le micro‐organisme est halotolérant sur une large plage de concentration de sel, de 0,5 à 25% de NaCl (en moyenne, l'eau de mer a une concentration en sel de 3,5%). L'ectoïne, qui affiche un effet stabilisateur indirect sur les protéines et les membranes ainsi qu’un effet inhibiteur connexe sur l'inflammation dans les cellules de mammifères, a trouvé de nombreuses applications en cosmétique ainsi que des applications cliniques grâce à ses propriétés hydratantes, stabilisatrices et réductrices de l'inflammation : traitement des allergies, de la dermatite atopique, de la toux et des symptômes du rhume...
Les neutrons, utilisés en combinaison avec des méthodes de marquage isotopique, ont montré comment l'ectoïne agit en laissant intacte la ‘coquille’ d'eau à la surface des protéines et membranes, ce qui est essentiel à leur activité biologique. Les molécules de H2O dans l'eau liquide interagissent les unes avec les autres à travers un réseau fluide très dynamique de liaisons hydrogène entre les atomes d'oxygène et d'hydrogène de molécules adjacentes. La présence d'autres substances dans l'eau peut entraver cette organisation. Les expériences de diffusion neutronique ont permis la description des effets de l'ectoïne sur la dynamique des liaisons hydrogène et révélé comment les caractéristiques protectrices de l'ectoïne n'interfèrent pas avec le métabolisme cellulaire. En fait, l'ectoïne, plutôt que d'entraver, améliore les propriétés dynamiques remarquables des liaisons hydrogène dans l'eau ‐ or ces propriétés sont essentielles pour assurer la capacité de solvant de l'eau, et vitales pour la bonne organisation, la stabilisation et la fonction des protéines, des lipides, des membranes, de l'ARN et de l'ADN.
Ainsi que l’explique le Dr Joe Zaccaï, scientifique émérite du CNRS travaillant à l'ILL : « On sait que la recherche de la vie sur Mars, et ailleurs dans l'univers, est guidée par la recherche de l'eau liquide, essentielle à toute forme de vie. Ses propriétés remarquables sont basées sur les réseaux hydrogène dynamiques qui jouent un rôle vital dans le repliement et les interactions macromoléculaires, qui sont à la base des fonctions biologiques des protéines. Les résultats de cette étude illustrent comment l'osmolyte, derrière la réponse halotolérance dans des microorganismes, induit des effets compensateurs sur les liaisons hydrogène dans le respect des propriétés biologiques essentielles. Les neutrons fournissent l'outil idéal pour étudier la structure et la dynamique de l'eau et des molécules biologiques de par leurs avantages uniques : entre autres, un pouvoir de pénétration élevé sans dégâts d'irradiation pour l'échantillon et la possibilité d'étiquetage d'une structure en remplaçant l'hydrogène par son isotope au deutérium. Chacun des instruments utilisés dans l'étude a agi comme un «microscope géant» de grossissement différent pour nous permettre de ‘voir’ les détails, depuis la formation cruciale des liaisons hydrogène au niveau atomique jusqu'aux grandes structures de protéines et de membranes. Bien que beaucoup d'investigations spectroscopiques et thermodynamiques aient déjà été faites par le passé sur l'ectoïne, nous sommes fiers de présenter, grâce à l'utilisation des neutrons, la caractérisation expérimentale directe des structures ectoïne‐eau‐protéine et ectoïne‐eau‐membrane pour expliquer le mode d'action de cette molécule, dont l’intérêt et l’utilité sont remarquables ».
Contacts Presse
          ILL : Françoise Vauquois – T 04 76 20 71 07 - vauquois@ill.eu
          CNRS : Priscilla Dacher - T 01 44 96 46 06 – priscilla.dacher@cnrs-dir.fr
          CEA : François Legrand – T 01 64 50 27 53 – francois.legrand@cea.fr 
Contacts chercheurs
          Dr Zaccaï : zaccai@ill.eu
          Martin Weik : martin.weik@ibs.fr 
A propos de l'ILL – L’Institut Laue-Langevin (ILL) est un centre de recherche international basé à Grenoble. Depuis sa création il est leader mondial des sciences et technologies neutroniques. L’ILL exploite l’une des sources de neutrons les plus intenses au monde, fournissant des faisceaux de neutrons à une suite de 40 instruments scientifiques très performants et perfectionnés en permanence. Chaque année, 1200 scientifiques venus de plus de 30 pays du monde visitent l’ILL (quelque 2000 visites en tout.). Les recherches sont multidisciplinaires : physique de la matière condensée, chimie (verte), biologie, physique nucléaire ou science des matériaux. Les trois quarts du budget de l'institut sont fournis par la France, le Royaume-Uni et l’Allemagne. 
About MPI Biochemie – Proteins are the molecular building blocks and engines of the cell, and are involved in almost all processes of life. The scientists at the Max Planck Institute of Biochemistry (MPIB) investigate the structure of proteins and how they function – from individual molecules up to whole organisms. With about 850 employees coming from 45 nations, the MPIB is one of the largest institutes within the Max Planck Society. In currently eight departments and about 25 research groups, scientists contribute to the newest findings in the areas of biochemistry, cell biology, structural biology, biophysics and molecular science. They are supported by several scientific, administrative and technical service facilities. For more information please visit http://www.biochem.mpg.de/en. 
A propos de l’IBS – L’IBS est un centre de recherche dédié à la biologie structurale intégrée. Il s’agit d’une Unité Mixte de Recherche (UMR 5075) créée par le CEA, le Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) et l’Université Grenoble Alpes (UGA). Dans son étude structurale et fonctionnelle des macromolécules biologiques (notamment des protéines), l’institut propose une approche multi- disciplinaire, aux frontières de la biologie, de la physique et de la chimie, alliant recherche fondamentale, recherche appliquée et innovation technique. Ses thématiques sont développées au sein de dix-huit groupes, regroupant environ 270 personnes. Pour plus d’informations : http//:www.ibs.fr.

 DOCUMENT        cnrs         LIEN


 

COMMUNIQUE DE PRESSE
Le 13 octobre 2016
Le projet CYTER : un procédé de recyclage et récupération des terres rares

Le projet CYTER a pour but le développement d’un nouveau procédé simple, efficace, sélectif et de très faible consommation énergétique, pour la récupération et le recyclage des métaux appelés « terres rares ». Ce procédé utilise de nouveaux matériaux facilement régénérables. La SATT Paris-Saclay investit dans le projet CYTER, piloté par l’Université Paris-Sud, le CEA et le CNRS.
Le nouveau procédé développé dans le cadre du projet CYTER (reCYclage des Terres Rares) permet en comparaison avec les procédés d’extraction existants de :
 Supprimer la consommation des solvants organiques toxiques en comparaison avec les procédés d’extraction liquide-liquide ;
 Réduire de 10 fois la durée des cycles de régénération des matériaux sorbants ;
 Réduire de 10 fois le temps opérationnel des procédés d’extraction des métaux (amélioration de la cinétique de réaction) ;
 Supprimer les opérations dangereuses (manipulation d’acides ou de bases) lors des étapes de régénération » des matériaux.
Une nouvelle génération de matériaux sorbants solides et un procédé de séparation et d’extraction des terres rares sont la base de cette innovation.
L’investissement accordé au projet CYTER par la SATT Paris-Saclay, participera au succès commercial de cette innovation.
La start-up AJELIS qui valorisera les travaux du projet CYTER, se positionne comme concepteur, fabricant et fournisseur de matériaux innovants pour la capture sélective de métaux en solution, par exemple les terres rares contenues dans certains effluents industriels. La mission d’AJELIS est d’accompagner les industriels dans le traitement de finition de leurs effluents et dans l’extraction de métaux à forte valeur stratégique ou économique, ou alors dans un contexte de dépollution.
AJELIS, présidée par Ekaterina Shilova, s’appuiera sur les travaux du projet qu’elle a mené conjointement avec des chercheurs de l’ICMMO1 et du NIMBE2 :
 Vincent Huc (CNRS), porteur et responsable scientifique du projet à l’ICMMO ;
 Pascal Viel (CEA), responsable scientifique du projet au NIMBE.
1 ICMMO : Institut de Chimie Moléculaire et des Matériaux d’Orsay (Université Paris-Sud - CNRS)
2 NIMBE : Nanosciences et Innovation pour les Matériaux, la Biomédecine et l'Énergie (CEA - CNRS)
COMMUNIQUE DE PRESSE
Le 13 octobre 2016
Start-up innovante et accompagnée par IncubAlliance, AJELIS a déjà obtenu plusieurs récompenses : elle est lauréate du Concours Mondial de l’Innovation 2030, 17ème au Concours national d’aide à la création d’entreprises de technologies innovantes (i-LAB) en 2015.
« L’accompagnement de la SATT Paris-Saclay permet de transformer ce qui n’est aujourd’hui qu’un projet en un réel plan d’action construit et opérationnel pour atteindre nos ambitions industrielles » déclare Ekaterina Shilova.
À propos de la SATT Paris-Saclay
La SATT Paris-Saclay développe la compétitivité des entreprises par l’innovation exploitant des technologies ou des compétences provenant de l’Université Paris-Saclay. Son coeur de métier est la maturation d’innovation sur les plans technologique (preuve de concept), juridique (propriété intellectuelle) et économique (marché).
La SATT Paris-Saclay travaille en étroite collaboration avec les entreprises (grands-groupes, ETI, PME et start-up), qu’elle peut associer dans l’élaboration et/ou la réalisation de projets de co-maturation. Elle propose à l’industrie des licences d’exploitation sur les technologies matures (brevets, licences et savoir-faire). La SATT Paris-Saclay est une société par actions simplifiées au capital social de 1M€. Ses actionnaires sont la Fondation de Coopération Scientifique Campus Paris-Saclay et la Caisse des Dépôts. Son siège social est situé au 86, rue de Paris à Orsay. www.satt-paris-saclay.fr
Contact presse : communication@satt-paris-saclay.fr ; Tél : 01 84 00 00 25
À propos d’AJELIS
La start-up AJELIS a été créée par trois associés en septembre 2014. Sa présidente, Ekaterina Shilova, est une chercheuse en chimie qui développe depuis 2010 un procédé de séparation de différents métaux à l’état de traces en collaboration avec l’Université Paris-Sud et le Commissariat à l’Énergie Atomique et aux Énergies Alternatives (CEA) de Saclay. Vincent Huc, co-fondateur d’AJELIS et conseiller scientifique, est chercheur CNRS à l’ICMMO. Expert dans la synthèse de molécules « complexantes », il est l’auteur de 41 publications scientifiques et inventeur de 10 brevets. Également co-fondateur et conseiller scientifique, Pascal Viel est chercheur au CEA de Saclay. Expert de la chimie des surfaces, il est l’inventeur de 22 brevets et ses travaux ont contribué à la création de 4 start-up.
AJELIS est accompagnée par IncubAlliance, incubateur technologique et généraliste de Paris-Saclay dont le siège social est situé au 86 rue de Paris à Orsay, et par l’association NOVA GREEN, organisme dédié aux éco-activités dont l’objectif est de dynamiser et accélérer le développement de l'économie verte.
Contact presse : contact@ajelis.com ; Tél. 06 08 03 16 80
À propos de l’Université Paris-Sud
L’Université Paris-Sud est un acteur majeur de l’Université Paris-Saclay.
Pluridisciplinaire et à forte dominante scientifique et de santé, l'excellence de sa recherche est marquée par de nombreux prix internationaux, notamment dans le domaine des mathématiques (quatre médailles Fields) et de la physique (trois prix Nobel). L'Université Paris-Sud est l'une des plus prestigieuses universités en Europe sur le plan de la recherche ; elle est classée parmi les premiers établissements d'enseignement supérieur français et 41e au classement mondial de Shanghai 2015.
L’Université Paris-Sud rassemble plus de 75 laboratoires reconnus internationalement, accueille 30 200 étudiants dont 2 400 doctorants, compte 4300 enseignants-chercheurs et chercheurs, et 3100 personnels ingénieurs, techniques et administratifs.
COMMUNIQUE DE PRESSE
Le 13 octobre 2016
Elle dispose du plus grand campus de France avec 2 700 000 m² de patrimoine environnemental intégré dans un cadre exceptionnel dont 240 000 m² actuellement en rénovation ou en construction. www.u-psud.fr
Contact presse : Cécile Pérol ; cecile.perol@u-psud.fr, Tél. 01 69 15 41 99
À propos du CNRS
Le Centre national de la recherche scientifique est un organisme public de recherche (Établissement public à caractère scientifique et technologique, placé sous la tutelle du Ministère de l'Éducation nationale, de l'Enseignement supérieur et de la Recherche). Il produit du savoir et met ce savoir au service de la société.
Sa gouvernance est assurée par Alain Fuchs, président du CNRS, assisté de deux directeurs généraux délégués : Anne Peyroche à la science et Christophe Coudroy aux ressources, d’un délégué à la valorisation : Nicolas Castoldi.
Avec près de 33 000 personnes (dont 24 747 statutaires - 11 116 chercheurs et 13 631 ingénieurs, techniciens et administratifs), un budget pour 2014 de 3,3 milliards d'euros dont 722 millions d'euros de ressources propres, une implantation sur l'ensemble du territoire national, le CNRS exerce son activité dans tous les champs de la connaissance, en s'appuyant sur plus de 1100 unités de recherche et de service.
Avec 20 lauréats du prix Nobel et 12 de la médaille Fields, le CNRS a une longue tradition d’excellence. Chaque année le CNRS décerne la médaille d’or, considérée comme la plus haute distinction scientifique française.
Contact presse : presse@cnrs.fr, Tél. 01 44 96 51 51
À propos du CEA
Le CEA est un organisme public de recherche qui intervient dans quatre domaines : la défense et la sécurité, les énergies nucléaire et renouvelables, la recherche technologique pour l’industrie et la recherche fondamentale. S'appuyant sur une capacité d'expertise reconnue, le CEA participe à la mise en place de projets de collaboration avec de nombreux partenaires académiques et industriels. Fort de ses 16 000 chercheurs et collaborateurs, il est un acteur majeur de l’espace européen de la recherche et exerce une présence croissante à l'international.
Deux des dix centres du CEA, le centre de Saclay et le centre de Fontenay-aux-Roses, inscrivent leurs activités de recherche et de formation dans le périmètre de l’Université Paris-Saclay.
Les chercheurs du CEA impliqués dans les départements de recherche de l’Université Paris-Saclay représentent plus de 20 % du potentiel de recherche de l’université, en particulier dans le domaine de la physique et de l’ingénierie.
Grâce à l’INSTN, opérateur de formation, et aux enseignements dispensés par ses chercheurs, le CEA assure une forte présence dans les formations au niveau master et ingénieur. Avec ses 400 chercheurs titulaires d’une habilitation à diriger les recherches, il contribue significativement à l’espace doctoral de l’Université Paris-Saclay. En savoir plus : www.cea.fr
Contact presse : Nicolas Tilly ; nicolas.tilly@cea.fr, Tél. 01 64 50 17 16
À propos de l’Université Paris-Saclay
Dans un environnement international très compétitif, l’Université Paris-Saclay fédère 18 des plus prestigieux établissements d’enseignement supérieur et de recherche français. Le projet partagé par ces fondateurs articule une offre de formations communes, un potentiel scientifique interdisciplinaire qui représente 15% de la recherche française et la mise en place de leviers pour l’innovation, l’entrepreneuriat et le transfert de technologies. Au coeur d’un écosystème fertile, l’Université Paris-Saclay suit une trajectoire collective

DOCUMENT       cnrs     LIEN

Entretien avec luc steels : une machine peut-elle parler ?
Gautier Cariou dans dossiers 18
daté juin-juillet 2016 -

Grâce à des travaux originaux à la croisée de la robotique, de l'informatique, de la psychologie et de la linguistique, Luc Steels, chercheur en intelligence artificielle, entend donner parole à la machine.
La Recherche. Vous développez des méthodes d'intelligence artificielle (IA) pour décrypter les mécanismes de l'intelligence, et en particulier du langage. Quelles réponses l'IA peut-elle apporter

à un champ déjà tant balayé par les sciences sociales et les neurosciences ?

Luc Steels Pour étudier l'acquisition du langage et le développement des capacités sensorielles et motrices chez l'enfant, les linguistes, les psychologues et les neuroscientifiques n'ont que deux outils à leur disposition : des expériences de pensée et des observations du comportement ou du cerveau. Mais aucun de ces outils ne leur permet de créer des modèles formels qui rendent compte des mécanismes d'acquisition de ces capacités cognitives. À la fin des années 1980, avec mon collègue Rodney Brooks, fondateur de la société américaine iRobot, nous avons donc eu l'idée de fabriquer des systèmes artificiels - des robots - et de les utiliser comme plates-formes expérimentales pour tester différents mécanismes pouvant expliquer l'émergence de comportements intelligents chez les espèces vivantes. Bien sûr, cette approche ne garantit pas à 100 % que les principes utilisés sont transposables aux systèmes vivants mais cette méthodologie est une source importante de progrès pour appréhender au plus près l'extraordinaire complexité des phénomènes observés dans la cognition humaine. En d'autres termes, c'est par la construction de systèmes artificiels que l'on peut espérer comprendre au mieux l'intelligence réelle.

Quels mécanismes de l'intelligence avez-vous mis en évidence ?

L'un de ces mécanismes est l'« auto-organisation ». Il m'a été inspiré par le groupe d'Ilya Prigogine, Prix Nobel de chimie en 1977. Il étudiait alors les systèmes complexes : les colonies de fourmis, le vol des oiseaux, etc., et se demandait comment l'ordre et l'organisation peuvent émerger du chaos. De fait, dans ces systèmes, aucun programme central ne commande quoi que ce soit. Il n'y a pas une fourmi chef d'orchestre qui donne des ordres à ses congénères ; et pourtant, au fil des interactions entre chaque fourmi, en échangeant des phéromones, un comportement collectif intelligent émerge. J'étais convaincu que ce phénomène d'auto-organisation pouvait devenir un mécanisme clé de l'intelligence des machines. C'est ce que nous avons démontré avec Rodney Brooks (1). Plutôt que de doter un robot d'un programme central complexe, nous avons créé des robots dont l'intelligence est distribuée entre plusieurs modules, chacun programmé pour une action simple : éviter un obstacle, revenir en arrière si le robot est coincé, revenir vers une station de rechargement avant que la batterie soit épuisée. Toutes ces actions élémentaires donnent lieu à un comportement global intelligent de la part du robot sans qu'il soit programmé à l'avance pour ce comportement. Cette approche constituait un changement de paradigme : nous passions d'une IA « classique », avec un programme central dédié à une tâche bien définie comme le pilotage des avions, la planification du trafic ferroviaire - ce que l'on appelle les systèmes experts -, à une robotique qui se programme elle-même, en fonction des interactions avec son environnement.

Vous vous êtes ensuite intéressé au langage...

Oui, pendant mes études au laboratoire d'IA du MIT, je suivais en parallèle le cours de linguistique de Noam Chomsky, figure la plus emblématique du domaine. Dans les années 1980, j'étais imprégné des idées nouvelles de l'IA, et il était pour moi très clair qu'il fallait trouver une autre voie que celle des sciences sociales pour avancer dans l'étude et la compréhension du langage. Je me disais que si les mécanismes d'auto-organisation pouvaient faire émerger des comportements intelligents, alors ces mêmes mécanismes devaient également être utiles pour expliquer une autre forme d'intelligence : le langage.

En quoi l'auto-organisation aide-t-elle à comprendre le langage ?

Prenons l'exemple des oiseaux migrateurs. Lorsqu'ils volent, ils suivent une trajectoire aléatoire au départ puis s'influencent mutuellement et, de proche en proche, ils finissent par s'aligner. Chaque oiseau pris individuellement n'a pourtant pas de vision d'ensemble et ne reçoit pas d'ordre mais, collectivement, le groupe devient cohérent. J'étais persuadé que l'émergence des mots au sein d'une population humaine utilisait le même principe. On peut imaginer, par exemple, que deux personnes se mettent d'accord pour nommer un objet « stylo ». Chacun d'eux va ensuite parler avec deux autres personnes et ainsi de suite. Le choix du mot initial étant aléatoire, il est fort probable qu'un autre groupe utilise plutôt le mot « Bic » ou n'importe quel autre mot pour désigner le même objet. Au début, de nombreux mots coexistent dans la population. Puis, par interactions successives, de plus en plus d'individus emploient le mot « stylo » et le lexique se stabilise.

Avez-vous testé la validité de cette hypothèse ?

Oui, en 1999. J'étais alors directeur du laboratoire d'intelligence artificielle de Sony, à Paris. J'avais mis en place une expérience pour étudier le phénomène de propagation des mots dans une population d'agents artificiels. Par agent artificiel, j'entends une entité informatique capable de se télécharger dans un robot. Les robots impliqués étaient de simples « têtes parlantes », des systèmes dotés d'un micro, d'un haut-parleur, d'une caméra mobile et d'un ordinateur de bord connecté à Internet, installés sur plusieurs sites : à Paris, à Londres, à Tokyo... Dans chaque ville, deux robots étaient positionnés devant un tableau blanc sur lequel étaient représentées des formes géométriques de couleurs différentes. Téléchargés dans ces robots, les agents artificiels étaient programmés pour se prêter à un jeu de langage. L'un d'entre eux (l'enseignant) devait choisir une figure et la faire deviner à l'autre agent (l'apprenant) en prononçant à voix haute un mot produit à partir de sons élémentaires puisés dans sa mémoire de travail. L'apprenant devait alors interpréter la signification du mot prononcé en pointant sa caméra vers la figure qu'il pensait correspondre au mot prononcé. En cas d'erreur, l'enseignant pointait sa caméra en direction de la bonne figure et l'apprenant enregistrait cette information. Pour toute nouvelle partie, les agents pouvaient changer de rôle et se télécharger dans n'importe quel robot à travers le monde. Après un demi-million d'interactions entre un millier d'agents artificiels, un vocabulaire commun a émergé et a été adopté par l'ensemble des agents.

Le mécanisme d'auto-organisation est-il suffisant pour comprendre le langage ?

Non. Il ne rend compte que du phénomène de propagation et de partage d'un vocabulaire commun mais n'explique en aucun cas la création et l'évolution du langage. Pour explorer cette question, je me suis inspiré de la science de l'évolution qui essaie de déterminer les mécanismes à l'origine de l'apparition des espèces. J'avais l'intuition que le langage faisait l'objet d'un processus évolutif analogue : les mots, les groupes de mots, la grammaire et la syntaxe sélectionnés sont ceux qui sont les plus efficaces pour que les individus puissent se comprendre. Pour vérifier la pertinence de ce mécanisme, j'ai implémenté un algorithme qui incite les robots à sélectionner les stratégies de communication qui, à la fois maximisent le succès de la communication et minimisent l'effort cognitif à fournir.

Quels résultats avez-vous obtenus ?

Dotés des mécanismes de sélection culturelle et d'auto-organisation, des robots qui n'avaient aucune grammaire au départ, en viennent à partager et à adopter des règles grammaticales communes, pourvu qu'ils interagissent suffisamment longtemps (2). La grammaire en question n'est pas celle des langues humaines, mais un ensemble d'outils à partir desquels les machines peuvent créer leur propre grammaire (3).

À chaque nouvelle expérience, une grammaire différente émerge. C'est le principe même de l'évolution : il n'est pas possible de prévoir les étapes de l'évolution mais on peut comprendre comment ça marche. Faire émerger une grammaire chez des robots, c'était une première à tous les points de vue. En reproduisant des expériences analogues à celles des têtes parlantes, nous avons mis en évidence qu'elle n'apparaît pas d'un seul coup, mais en plusieurs étapes et gagne en complexité de façon graduelle.

Aujourd'hui, vous continuez d'étudier la grammaire avec ces outils d'intelligence artificielle, un domaine baptisé « linguistique évolutionnaire ». Quel genre d'expériences menez-vous ?

À l'Institut de biologie évolutive de Barcelone, mon équipe et moi-même examinons certains aspects spécifiques de la grammaire. Par exemple, en français, il existe des phrases nominales, des phrases verbales, des phrases principales, etc. Or, avec des robots, on voit émerger ce genre de structure hiérarchique, ce qui nous permet d'étudier les mécanismes de leur apparition. Nous étudions également le phénomène d'accord sujet-verbe, ou encore les processus d'apparition et d'évolution des cas comme l'accusatif, le datif, etc. (4) À titre d'exemple, au XIIIe siècle, la langue anglaise comportait un système de cas, avec la même complexité que le latin, avant de disparaître. L'anglais a évolué et c'est désormais l'ordre des mots dans la phrase qui s'est substitué au cas. C'est ce genre de problèmes très concrets que l'on étudie aujourd'hui.

Sur le plan théorique, qu'apporte l'ensemble de vos travaux aux sciences humaines ?

En linguistique, deux théories s'affrontent pour expliquer notre capacité pour le langage. Selon la première, proposée par Noam Chomsky dans les années 1950, les hommes sont dotés d'une capacité innée pour le langage. Il existerait une « grammaire universelle » ancrée dans le cerveau dès la naissance et un organe biologique dédié au langage. Une autre théorie, dite « constructiviste », considère au contraire que l'acquisition du langage est le fruit d'un apprentissage. En interagissant avec son environnement, l'enfant acquerrait le langage de façon graduelle. Sans nier le rôle central du cerveau dans cette capacité langagière, la théorie constructiviste s'oppose à l'idée d'un organe spécifique au langage. De mon point de vue, le langage est un système dynamique, évolutif, émergent et non pas un système fixe et inné comme le prétend Chomsky : les mécanismes que j'ai testés indiquent clairement que les robots n'ont pas de programme dédié au langage. Ils sont seulement dotés de mécanismes généraux qui leur permettent de créer leur propre vocabulaire et règles grammaticales.

Pensez-vous que vos travaux closent le débat inné/acquis ?

Aujourd'hui, nous avons des expériences reproductibles qui valident un certain nombre de mécanismes. Malgré tout, nous sommes encore dans une phase d'écriture de livres et de débats et les résistances sont encore fortes de la part des chercheurs en sciences humaines. Pour eux, ces expériences ne sont pas pertinentes. Et pour cause, la méthode que nous employons constitue un changement de paradigme qui nécessite de redéfinir ce que l'on accepte comme preuve. En sciences humaines, un chercheur écrit un livre, puis un autre chercheur donne sa réponse. La matière du débat est l'histoire des idées, et les preuves sont des références à des figures d'autorité. Dans notre approche de linguistique évolutionnaire, l'autorité ne joue pas. Seules les preuves mathématiques comptent. J'essaie de me battre pour que ces preuves formelles soient mieux comprises et acceptées dans les sciences humaines. Mais pour l'heure, c'est un choc des cultures !

 DOCUMENT       larecherche.fr       LIEN