Paris, 12 JUIN 2013

Le génome d'Emiliania enfin décrypté
Le génome d'Emiliania huxleyi, une espèce emblématique du phytoplancton marin, a été déchiffré pour la première fois par un consortium international impliquant des équipes françaises principalement du CNRS, de l'UPMC, de l'Inra, d'Aix-Marseille Université et de l'ENS1. Les scientifiques ont découvert que le génome de ce micro-organisme marin unicellulaire extrêmement abondant contient au moins un tiers de gènes en plus que le génome humain, tout en étant vingt fois plus petit. Autre surprise : il est très complexe, ce qui fournirait à Emiliania une importante capacité d'adaptation. Le séquençage a été réalisé au Department of Energy Joint Genome Institute aux Etats-Unis. Ces travaux font l'objet d'un article dans la revue Nature le 13 juin 2013.
Les océans sont responsables de plus de la moitié de la production d'oxygène de la planète grâce à l'activité de photosynthèse du phytoplancton (ou plancton végétal) marin. Responsables de la majorité de cette photosynthèse océanique, les protistes, des micro-organismes marins eucaryotes (avec un noyau), unicellulaires et parfois photosynthétiques restent méconnus. Ni bactérie, ni virus, ni plante, ni animal à proprement parlé, les protistes présentent une grande plasticité tant anatomique que physiologique, et un métabolisme complexe. Emiliania huxleyi est un protiste appartenant à la lignée des haptophytes2. De par son extrême abondance, cette toute petite cellule planctonique forme une espèce emblématique du phytoplancton marin. Dotée de métabolismes fondamentaux variés (photosynthèse, calcification, etc.), elle est connue pour son micro-squelette calcaire qui rend l'océan blanc-laiteux et visible depuis l'espace, lorsque les cellules se multiplient en gigantesques efflorescences.

Pour décrypter le génome d'Emiliania, premier génome d'haptophyte séquencé, les scientifiques ont utilisé treize souches de cette espèce provenant de tous les océans qui ont ensuite été isolées dans différents laboratoires (certaines proviennent de la riche collection de la station biologique de Roscoff qui contient plus de 500 références d'Emiliania). Première découverte, le génome d'Emiliania huxleyi est vingt fois plus petit que le génome humain : il est constitué de 141 millions de bases (le génome des diatomées a environ 24  millions de bases et le génome humain environ 3 200 millions). Mais, surprise, il contient au moins un tiers de gènes en plus que le génome humain. En effet, le consortium international a mis en évidence la présence de plus de 30 000 gènes codant pour toutes sortes de protéines et de fonctions, dont plus de la moitié sont totalement inconnues dans les bases de données génétiques existantes.

D'autre part, les treize souches séquencées, que l'on croyait relativement proches, ne partagent en moyenne que 75% de leurs gènes : on pourrait parler de génome-cœur d'Emiliania. Ainsi, 25% des gènes ne sont présents que dans certaines souches : ce génome « permutable » est composé des gènes spécifiques à certaines souches. Cette configuration en « pan-génome » (avec un génome-cœur entouré d'un génome permutable) est typique des bactéries et des archées. Sa genèse chez Emiliania doit encore être documentée. La présence d'une telle proportion de gènes spécifiques à certaines souches est remarquable pour un organisme eucaryote sexué. Elle offre sans nul doute à Emiliania une flexibilité génomique et des capacités d'adaptation élevées.

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Paris, 10 mai 2010

La somme des chiffres des nombres premiers est bien répartie
Il y a en moyenne autant de nombres premiers dont la somme des chiffres décimaux est paire que de nombres premiers pour lesquels elle est impaire. Cette hypothèse formulée en 1968 vient d'être démontrée par des chercheurs de l'Institut de mathématiques de Luminy (CNRS/Université de la Méditerranée).
Un nombre premier est un nombre entier supérieur ou égal à 2 dont les seuls diviseurs entiers sont 1 et lui-même. Par exemple, 2, 3, 5, 7, 11,..., 1789,... sont des nombres premiers, alors que 9, divisible par 3, n'est pas un nombre premier.

De nombreux problèmes arithmétiques concernent les nombres premiers et la plupart d'entre eux sont sans réponse, parfois depuis plusieurs siècles. Par exemple, on sait depuis Euclide que la suite des nombres premiers est infinie, mais on ne sait toujours pas s'il existe une infinité de nombres premiers p tels que p+2 est aussi un nombre premier (problème des nombres premiers jumeaux). De même on ne sait pas s'il existe une infinité de nombres premiers dont la représentation décimale n'utilise pas le chiffre 7.

Deux chercheurs de l'Institut de mathématiques de Luminy (CNRS/Université de la Méditerranée) viennent de faire une percée importante sur une conjecture formulée en 1968 par le mathématicien russe Alexandre Gelfond concernant la somme des chiffres des nombres premiers. Ils ont démontré en particulier qu'il y a en moyenne autant de nombres premiers dont la somme des chiffres décimaux est paire que de nombres premiers pour lesquels elle est impaire.

Les méthodes mises en oeuvre pour obtenir ce résultat, issues de la combinatoire, de la théorie analytique des nombres et de l'analyse harmonique, sont très novatrices et devraient ouvrir la voie à la résolution d'autres questions difficiles concernant la représentation de certaines suites de nombres entiers.

En complément de leur intérêt théorique, ces questions sont directement liées à la construction de suites de nombres pseudo-aléatoires et ont des applications importantes en simulation numérique et en cryptographie.

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Paris, 14 mars 2012

Nouvelle génération de transistors flexibles à base de graphène
La réalisation de composants électroniques à base de graphène, matériau constitué d'un plan unique d'atomes de carbone, est aujourd'hui un défi technologique majeur. Les chercheurs espèrent, d'une part, bénéficier de la mobilité électronique exceptionnelle au sein de ce matériau et, d'autre part, concevoir des composants électroniques flexibles à bas coût. Ainsi, des chercheurs du CEA 1, du CNRS 2, de l'Université Lille 1 2 et de l'Université de Northwestern 3 ont élaboré un nouveau procédé original de fabrication de transistors combinant flexibilité et mobilité électronique, capables de fonctionner à très haute fréquence (GHz) et utilisant du graphène manipulé « en solution », compatible avec des techniques d'impression. De tels composants électroniques devraient permettre le développement de circuits électroniques performants, intégrés dans les objets du quotidien. Ces résultats sont publiés dans la revue Nano Letters du 14 mars 2012.
Le graphène, plan unique d'atomes de carbone à structure hexagonale, possède des propriétés exceptionnelles. En particulier, la grande mobilité des électrons dans ce matériau doit favoriser le fonctionnement à très haute fréquence de composants électroniques réalisés en graphène. Par ailleurs, ses propriétés mécaniques en font un matériau flexible. Ces deux avantages pourraient être mis à profit dans la fabrication de composants et de circuits électroniques destinés à des secteurs variés : développement d'écrans souples, de transistors et de composants électroniques très performants et fabriqués à bas coût.

Actuellement, plusieurs voies de synthèse du graphène existent. L'une d'elles permet de le produire sous la forme d'une solution de particules de quelques centaines de nanomètres de diamètre, stabilisées dans l'eau par des tensioactifs 4. Pour obtenir cette « encre conductrice », la voie de synthèse utilisée permet de ne sélectionner que des feuillets monocouches qui assurent des propriétés électroniques remarquables 5 (et non un mélange de graphène monocouche et multicouche). Autre spécificité : la production de composants peut s'effectuer sur des supports très variés tels que du verre, du papier ou encore un substrat organique.

Des chercheurs du CEA, du CNRS, de l'Université Lille 1 et de l'Université de Northwestern ont, pour la première fois, élaboré un procédé original de fabrication de transistors flexibles à partir de graphène solubilisé, sur des substrats de polyimide (polymère thermostable). Ils ont ensuite étudié de manière  approfondie leurs performances haute-fréquence.
 
Dans le procédé mis au point, les feuillets de graphène en solution sont déposés sur le substrat sous l'effet d'un champ électrique alternatif appliqué entre des électrodes préalablement fabriquées. Cette technique de diélectrophorèse (DEP) permet de diriger le dépôt du graphène et d'obtenir localement une forte densité de feuillets déposés. Cette densité est cruciale pour obtenir d'excellentes performances à haute fréquence. Ainsi, la mobilité des charges dans les transistors réalisés est de l'ordre de 100 cm2/V.s, ce qui est très supérieur aux performances obtenues avec des molécules ou des polymères semi-conducteurs. Ces transistors atteignent donc des fréquences très élevées, de l'ordre de 8 GHz, jusqu'ici jamais obtenues en électronique organique !

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Paris, 19 novembre 2012

Une avancée majeure en microélectronique : production de nano-rubans de graphène semi-conducteurs
Le graphène, cristal bidimensionnel composé d'une couche unique d'atomes de carbone, possède des propriétés très prometteuses pour l'électronique. Cependant, pour que ces applications potentielles se concrétisent, il était nécessaire d'obtenir une forme semi-conductrice de ce matériau. Huit ans après sa découverte, c'est chose faite, grâce aux travaux d'une équipe franco-américaine menée par le Georgia Institute of Technology (USA), et incluant des scientifiques du CNRS, du synchrotron SOLEIL, de l'Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine, Nancy) et de l'Institut Néel (Grenoble). Les chercheurs sont parvenus à mettre au point une technique de production de bandes de graphène semi-conductrices basée sur le contrôle du substrat sur lequel se produit la croissance du graphène. Leurs résultats, publiés dans Nature Physics le 18 novembre 2012, ouvrent la voie à une électronique de très haute fréquence.
Le graphène se présente comme une monocouche d'atomes de carbone dont l'empilement constitue le graphite. De très nombreuses recherches sont menées depuis une dizaine d'années sur ce matériau. En effet, ses propriétés hors-normes, mobilités électroniques élevées, forte conductivité thermique, stabilité chimique et possibilité de moduler sa conductance électrique par un champ électrique, le rendent particulièrement attrayant pour l'électronique. En particulier, sa mobilité électronique, c'est-à-dire la vitesse à laquelle se déplacent les électrons en son sein, lui promettent des applications dans l'électronique de très haute fréquence, ou térahertz.

Mais voilà, sous sa forme naturelle, le graphène possède une structure métallique. Il est par conséquent conducteur de courant. Or, pour que ce matériau soit utilisable en microélectronique, il est nécessaire de l'obtenir sous une forme semi-conductrice. C'est ce que sont parvenus à obtenir les chercheurs de l'équipe franco-américaine.

En s'appuyant notamment sur les résultats de la ligne de lumière CASSIOPEE du synchrotron SOLEIL, les scientifiques sont parvenus à mettre au point une technique de production de bandes de graphène semi-conductrices. Basée sur le contrôle de la géométrie du substrat sur lequel a lieu la croissance du graphène, elle consiste à graver des nano-sillons sur une surface en carbure de silicium (SiC). Sur ce substrat, le graphène croît sous forme d'un ruban dont le bord, semi-conducteur, est lié à du graphène métallique. Cette bande semi-conductrice ne mesure que quelques nanomètres de largeur.

Cette technique permet non seulement de travailler à température ambiante, mais également d'obtenir une bande de graphène semi-conductrice cinq fois plus fine que le record détenu par IBM en lithographie. Par ailleurs, la production de graphène est considérée comme extrêmement coûteuse. Or, l'équipe franco-américaine est parvenue à produire des dizaines de milliers de ces rubans aux bords semi-conducteurs, ce qui rend envisageable leur production à l'échelle industrielle. Un pas de plus vers la fabrication de circuits intégrés à haute densité à base de carbone a bel et bien été franchi.

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