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Derrière l’éclat d’un T-shirt ou les reflets d’un billet de banque se cachent des molécules fluorescentes issues du pétrole. À Strasbourg, des chercheurs développent une alternative : s’inspirer du vivant pour concevoir des composés lumineux durables.

Quel est le point commun entre un T-shirt d’un blanc éclatant, l’écran de votre smartphone et une encre de sécurité sur un billet de banque ? Tous ces objets du quotidien reposent sur des molécules fluorescentes – des composés capables d’absorber une lumière invisible, comme les ultraviolets, pour la réémettre sous forme de lumière visible et colorée, parfois avec un éclat saisissant. Le problème ? La quasi-totalité de ces précieux outils proviennent du pétrole. À Strasbourg, le projet BIBIFLU, piloté par Gilles Ulrich, directeur de recherche à l’Institut de Chimie et Procédés pour l’Énergie, l’Environnement et la Santé1 (ICPEES), explore une alternative durable en créant des molécules fluorescentes inspirées par la nature. Un projet qui vise à la fois à répondre à un enjeu écologique majeur et à développer des outils plus performants.
Si l’utilisation de la fluorescence est aujourd’hui banale, la recherche de nouvelles molécules plus écologiques et plus efficaces révèle une dimension surprenante : la nature elle-même regorge de solutions et d’inspirations.

À gauche : prélèvement de la poudre de racines de rhubarbe de Chine (Rheum palmatum), à partir de laquelle les chercheurs vont extraire les composés d’intérêt. À droite : extraction et filtration sous hotte, pour isoler les composés et éliminer les impuretés. © Thomas Lang pour le CNRS Alsace – ANR BIBIFLU et ANR SAPS AActus-II

Mais de quel type d’inspiration parle-t-on ? « Il ne s’agit pas de simplement copier une molécule existante, mais bien de s’appuyer sur des squelettes moléculaires sophistiqués que la nature sait produire très facilement pour les améliorer et leur donner de nouvelles propriétés », détaille Gilles Ulrich. Autrement dit, le projet BIBIFLU excelle dans l’art de « customiser » le vivant pour répondre à des besoins technologiques.

La résonance magnétique nucléaire (RMN) révèle, atome par atome, la structure précise des molécules présentes en solution et confirme leur pureté. Une étape indispensable avant de chercher à modifier les composés extraits. © Thomas Lang pour le CNRS Alsace – ANR BIBIFLU et ANR SAPS AActus-II

De la nature au laboratoire, un processus en plusieurs étapes
Cette faculté à modifier le vivant est omniprésente en chimie. L’exemple le plus connu est celui de la morphine : il est bien plus simple de laisser un champ de pavots la produire que de la synthétiser de A à Z. Les chimistes extraient ensuite la molécule naturelle pour la modifier et créer d’autres médicaments. Cette technique, empruntée à la pharmacie, est stratégique : elle s’avère beaucoup moins coûteuse que de concevoir une molécule complexe de toutes pièces. L’équipe du projet BIBIFLU applique cette même stratégie, appelée « hémisynthèse », à la fluorescence.

Deux techniques de séparation utilisées par l’équipe BIBIFLU. À gauche, une colonne de chromatographie : les composés du mélange la traversent à des vitesses différentes selon leur structure, formant des couches distinctes qui permettent de récupérer des fractions pures. À droite, une chromatographie sur couche mince : sous l’effet d’un solvant, les molécules déposées sur un gel migrent à des vitesses différentes – une seule tâche indique que le composé est pur, plusieurs tâches révèlent un mélange. © Thomas Lang pour le CNRS Alsace – ANR BIBIFLU et ANR SAPS AActus-II

L’une des pistes les plus prometteuses, explorée dans le cadre de la thèse de Sarah Chebourou, s’inspire par exemple de la β-carboline, une molécule responsable de la lueur bleutée et mystérieuse que prend la carapace des scorpions lorsqu’on les éclaire avec une lampe UV. C’est ce type de fluorescence naturelle que l’équipe cherche à comprendre et à reproduire en laboratoire. Mais une fois la molécule de départ choisie, le plus dur reste à faire : la rendre réellement « brillante ».

Décrypter et maîtriser la lumière
Concrètement, comment l’équipe de Gilles Ulrich s’y prend-elle pour forcer une molécule à briller ? Sa force réside dans une approche alliant étroitement l’expérimentation et la modélisation théorique.
« Nous partons d’une molécule biosourcée qui est déjà un colorant, mais dont les propriétés de luminescence sont faibles », explique le chercheur. Dans un premier temps, ses propriétés sont finement analysées. En parallèle, des collègues théoriciens réalisent des calculs pour simuler le comportement de la molécule lorsqu’elle absorbe de la lumière. Ces calculs permettent d’identifier les « fuites d’énergie » : les mouvements et vibrations par lesquels la molécule perd son énergie sous forme de chaleur au lieu de la réémettre en lumière.

Un échantillon de molécules fluorescentes issues de la rhubarbe de Chine est analysé au spectrophotomètre. L’instrument mesure leur capacité à absorber et réémettre la lumière à différentes longueurs d’onde, ce qui permet d’évaluer l’efficacité des composés développés. © Thomas Lang pour le CNRS Alsace – ANR BIBIFLU et ANR SAPS AActus-II

Ce dialogue constant entre théorie et expérience permet de comprendre pourquoi certaines molécules échouent à briller et comment améliorer les modèles suivants. Mais c’est aussi un arbitrage permanent pour Gilles Ulrich : « Quand la molécule est simple, le calcul est rapide. Mais quand elle devient très complexe, la modélisation demande un niveau de calcul supérieur, extrêmement coûteux en temps et en ressources. » Parfois, il est alors plus efficace de retourner à la paillasse pour tester effectivement une synthèse plutôt que de lancer une simulation informatique.
C’est là que le chimiste intervient. Guidé par les simulations, il modifie la structure de la molécule, par exemple en la rendant plus rigide pour « bloquer » ces fuites. C’est ce dialogue permanent entre la paillasse et l’ordinateur qui permet de développer, étape par étape, des familles entières de nouvelles molécules aux propriétés optimisées.

À gauche : des cristaux purifiés sont placés dans un tube de Schlenck, un équipement qui permet de réaliser des réactions chimiques à l’abri de l’air. C’est à cette étape que les scientifiques cherchent à activer et optimiser les propriétés fluorescentes de leurs molécules d’intérêt. À droite : pesée des cristaux purifiés, qui permet de quantifier la matière récupérée avant modification. © Thomas Lang pour le CNRS Alsace – ANR BIBIFLU et ANR SAPS AActus-II

Quand la couleur déraille : les enjeux pour l’industrie et la santé
Mais alors, à quoi servent concrètement ces nouvelles molécules ? Pour Gilles Ulrich, la réponse est double : répondre à un besoin de durabilité pour des produits de masse et développer des outils de pointe pour des marchés de niche.
Le lien avec notre quotidien est direct. Les azurants optiques utilisés dans les lessives et le papier représentent un « gros tonnage ». Remplacer ces composés pétrochimiques par une alternative biosourcée aurait un impact écologique significatif. L’équipe a d’ailleurs déjà obtenu des résultats très encourageants à partir de dérivés de l’industrie sucrière.
Parallèlement, le projet vise des applications à haute valeur ajoutée, comme l’imagerie biologique. « Pour la biologie, on cherche des choses qui sont plutôt dans le rouge ou le proche infrarouge », précise Gilles Ulrich. Cette lumière a le double avantage de pénétrer plus profondément dans les tissus et de ne pas être « brouillée » par la fluorescence naturelle du corps. Le défi pour les chimistes est de concevoir des molécules qui s’adaptent parfaitement aux outils existants. En biologie, changer un protocole établi est une opération longue et coûteuse – chaque paramètre doit être revalidé. Mieux vaut donc proposer des molécules qui s’intègrent directement aux équipements en place. « Il faut venir avec quelque chose qui s’adapte à la source de lumière et aux filtres de son microscope », résume Gilles Ulrich.

Vers de nouvelles pistes industrielles
En définitive, démêler les secrets de la fluorescence biosourcée est la clé pour ouvrir des perspectives industrielles nouvelles. Mieux cerner comment concevoir des molécules à la fois performantes et durables est essentiel pour envisager le remplacement progressif des dérivés du pétrole.
L’objectif n’est pas seulement de proposer une alternative « verte », mais bien une alternative compétitive, comme le résume Gilles Ulrich : « C’est comme tout : entre les dérivés pétroliers et les processus issus de la nature, il y a une histoire de coût et de processus industriels. »
Une preuve de concept a d’ailleurs été validée avec brio par la thèse de Sarah Chebourou, soutenue en novembre dernier. Le projet marque désormais une pause, le temps pour Gilles Ulrich de recruter un nouveau candidat capable de reprendre le flambeau. C’est aussi cela, le cycle de la recherche : une aventure humaine qui avance au rythme des chercheurs qui la font.

Sarah Chebourou et Gilles Ulrich devant l’écran d’analyse. La qualité des nouvelles molécules fluorescentes développées par l’équipe est évaluée selon plusieurs critères : longueurs d’onde d’émission et d’absorption, intensité de fluorescence et structure atomique. © Thomas Lang pour le CNRS Alsace – ANR BIBIFLU et ANR SAPS AActus-II

Transformer la lumière d’un scorpion en un outil pour l’hôpital ou en un ingrédient pour nos lessives est un défi passionnant, au carrefour de la chimie fondamentale, de l’écologie et de l’innovation industrielle.

Liens utiles :
• Institut de Chimie et Procédés pour l’Énergie, l’Environnement et la Santé (ICPEES) : https://icpees.unistra.fr/
• Page personnelle de Gilles Ulrich : https://icpees.unistra.fr/institut/pages-persos/gilles-ulrich/
• Fiche ANR du projet BIBIFLU : https://anr.fr/Project-ANR-21-CE43-0019

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Ces recherches et cet article ont été financés en tout ou partie par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre du projet BIBIFLU ANR-21-CE43-0019. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Sciences Avec et Pour la Société – Culture Scientifique Technique et Industrielle.