Kerry Emanuel, David Sabatini et Peter Shor reçoivent le prix BBVA Frontiers of Knowledge

La Fondation BBVA a récompensé trois professeurs du MIT Prix Frontières de la connaissance pour leur travail dans les domaines du changement climatique, de la biologie et de la biomédecine, et de l’informatique quantique. Professeur du département des sciences de la terre, de l’atmosphère et des planètes Kerry A. EmanuelProfesseur du département de biologie David Sabatiniet professeur du département de mathématiques Peter Shor ont été reconnus lors de la 12e édition de ce prix annuel.

Kerry Emanuel

Emanuel, le professeur Cecil et Ida Green de sciences atmosphériques, a obtenu le prix BBVA Prix du changement climatique « pour ses contributions fondamentales à la compréhension des cyclones tropicaux et de la façon dont ils sont affectés par le changement climatique », selon la citation du comité. « En comprenant la physique essentielle de la convection atmosphérique … il a élucidé le comportement des cyclones tropicaux – ouragans et typhons – à mesure que notre climat change ». Il a également été salué pour « son extraordinaire efficacité à communiquer la science du changement climatique au public et aux décideurs politiques ».

Emanuel est le co-fondateur (avec Daniel H. Rothman) et le co-directeur de l Centre Lorenz du MITUn groupe de réflexion sur le climat qui encourage les approches créatives pour apprendre comment le climat fonctionne. Il a été le premier à établir un lien entre l’intensité accrue des ouragans et le réchauffement des eaux de surface de la mer induit par le changement climatique.

« Il est difficile d’imaginer un domaine de la science du climat où le leadership d’une personne est aussi incontestable », déclare Bjorn Stevens, président du comité de la Fondation BBVA et directeur de l’Institut Max Planck de météorologie.

Les ouragans ont longtemps été considérés comme des événements naturels destructeurs, mais leur physique sous-jacente était encore largement inconnue. Tout au long des années 1980 et 1990, après avoir obtenu des diplômes au MIT et rejoint ensuite la faculté EAPS, Emanuel a mis en évidence les mécanismes des ouragans. Dans ses recherches détaillant comment le réchauffement des océans de surface alimente les tempêtes et en augmente l’intensité, il les a qualifiées de « machines massives et naturelles qui convertissent la chaleur qu’elles extraient de l’océan en énergie éolienne ».

Le changement climatique entraînera des ouragans plus puissants. Emanuel prévient que cela compliquera la tâche déjà difficile de faire des prévisions précises, et prédit que les ouragans se répandront dans plus de régions de la planète.

Ses modèles prévoient actuellement une augmentation de 5 % de l’intensité des ouragans (c’est-à-dire de la vitesse du vent) pour chaque degré d’augmentation de la température des océans. « Trois degrés de réchauffement rendraient les ouragans 15 % plus intenses, mais leur potentiel destructeur triplerait en fait ; en d’autres termes, avec cette augmentation de 15 % de la vitesse du vent, les dégâts augmenteraient d’environ 45 % », déclare Emanuel, l’auteur de « Vent divin : l’histoire et la science des ouragans » (Oxford Unviersity Press, 2005) et « Ce que nous savons sur le changement climatique » (MIT Press, 2018).

« Les ouragans les plus intenses d’aujourd’hui peuvent avoir une vitesse de vent à la surface de 85 mètres par seconde, mais d’ici la fin de ce siècle, à moins que nous ne réduisions les émissions de gaz à effet de serre, nous pourrions commencer à voir des vitesses allant jusqu’à 90-92 mètres par seconde. Le potentiel destructeur d’un ouragan est déterminé par la vitesse du vent, donc en fait, le pouvoir destructeur de ces tempêtes pour les populations humaines serait considérablement plus important ».

Emanuel affirme que la communauté internationale « n’en fait pas assez » pour lutter contre le changement climatique. « Nous devons cesser d’écouter les voix du déni, et écouter plutôt nos propres enfants, qui nous demandent à grands cris d’agir ».

David Sabatini

Sabatini, professeur de biologie au MIT et membre du Whitehead Institute for Biomedical Research et du Koch Institute for Integrative Cancer Research, nous fait part de son projet Frontiers of Knowledge Prix en biologie et biomédecine avec Michael Hall de l’Université de Bâle, pour la découverte d’une protéine kinase qui régule le métabolisme et la croissance cellulaire.

Leur découverte de mTOR est utilisée dans l’étude d’un large éventail de problèmes de santé, notamment l’obésité, le vieillissement, le cancer, le diabète, l’épilepsie, la maladie d’Alzheimer et la maladie de Parkinson. « La recherche a suggéré que 60 % des cancers ont un mécanisme quelconque pour activer la voie mTOR », explique M. Sabatini. « Je n’aurais jamais pu imaginer les implications de cette première découverte. »

Sabatini a commencé sa thèse de doctorat sur la compréhension du mécanisme d’action de la rapamycine, un agent antifongique naturel dont les propriétés immunosuppressives et anticancéreuses ont été prouvées. Elle est utilisée pour prévenir le rejet d’organes chez les patients ayant subi une transplantation.

Les deux scientifiques sont arrivés à leurs conclusions indépendamment l’un de l’autre. Hall a découvert la cible de la protéine rapamycine (TOR) dans les cellules de levure en 1993 alors qu’il était chercheur principal ; Sabatini l’a isolée chez des mammifères alors qu’il était encore étudiant en doctorat, en 1994, et lui a donné le nom de mTOR.

Dans les cellules de mammifères, mTOR – qui signifie « mechanistic target of rapamycin », un médicament immunosuppresseur qui inhibe la croissance cellulaire – est la molécule clé dans une voie qui régule les processus métaboliques cellulaires en réponse aux nutriments.

Sabatini explique que « mTOR est un interrupteur qui s’allume en présence de nutriments, de sorte que le corps peut construire des matériaux, et quand il n’y a pas de nutriments disponibles, il décompose les matériaux ». L’interrupteur mTOR contrôle une cascade de centaines de signaux moléculaires, dont beaucoup sont encore inconnus de la science.

« Les mécanismes moléculaires qui régulent la croissance des organismes et la coordonnent avec la disponibilité des nutriments étaient inconnus jusqu’à il y a deux décennies », a déclaré le comité.

Après avoir isolé la molécule chez la levure et les mammifères, les deux chercheurs ont commencé à démêler ses multiples fonctions dans l’organisme. Le laboratoire de Sabatini a depuis identifié la plupart des composants de la voie mTOR et montré comment ils contribuent au fonctionnement des cellules et des organismes. Ses découvertes ont ouvert des voies pour identifier les vulnérabilités des maladies et les cibles de traitement pour diverses conditions – notamment les vulnérabilités métaboliques clés des cellules cancéreuses du pancréas et des ovaires et les défauts de développement neurologique. Il travaille actuellement à l’exploitation de ces vulnérabilités comme cibles pour de nouvelles thérapies.

La rapamycine est utilisée comme immunosuppresseur pour prévenir le rejet des organes transplantés et comme agent anticancéreux. Dans le traitement des maladies cardiovasculaires, elle est utilisée comme revêtement pour les stents coronaires afin d’empêcher la formation de nouveaux blocages dans la circulation sanguine.

Comme mTOR est un capteur de nutriments, des recherches supplémentaires indiquent une restriction calorique pour augmenter la longévité. TOR a été la première protéine connue qui influence la longévité chez les quatre espèces que les scientifiques utilisent couramment pour étudier le vieillissement : la levure, les vers, les mouches et les souris. « Nous ne faisons qu’effleurer la surface » des applications possibles de mTOR, dit-il. « Je ne sais pas si cela nous aidera à vivre jusqu’à 120 ans, mais je pense que cela aura des effets bénéfiques sur différents systèmes physiologiques, et je suis pratiquement sûr que cela améliorera certains aspects des maladies liées au vieillissement ».

Peter Shor

Shor, le professeur de mathématiques appliquées en Morse, a été reconnu dans le Catégorie Sciences fondamentales pour son rôle dans le développement de l’informatique quantique et de la cryptologie. Il partage ce prix avec Charles H. Bennett, physicien chimiste d’IBM Research, et Gilles Brassard, informaticien de l’Université de Montréal.

Le comité d’attribution du prix a souligné le bond en avant des technologies quantiques, une avancée qui s’appuie fortement sur les contributions pionnières des nouveaux lauréats. Le comité a déclaré que leurs travaux « couvrent de multiples disciplines et rassemblent des concepts issus des mathématiques, de la physique et de l’informatique ». Leurs idées jouent un rôle clé dans le développement des technologies quantiques pour la communication et le calcul ».

Bennett et Brassard ont inventé la cryptographie quantique dans les années 1980 pour assurer l’inviolabilité physique des communications de données. L’importance de ce travail est apparue dix ans plus tard lorsque Shor a découvert qu’un hypothétique ordinateur quantique rendrait effectivement inutilisables les systèmes de cryptographie conventionnels qui sous-tendent la confidentialité et la sécurité des communications Internet actuelles.

Le protocole BB84 de Bennett et Brassard – généralement reconnu comme la première application pratique de la science de l’information quantique – est à la base de la sécurité de toutes nos communications et transactions sur Internet, et repose sur l’existence de problèmes mathématiques que les ordinateurs ne peuvent pas résoudre. Jusqu’à ce que, comme l’indique la citation, « Shor a découvert que les ordinateurs quantiques pouvaient factoriser des entiers beaucoup plus rapidement que n’importe quel superordinateur, compromettant ainsi la sécurité des schémas cryptographiques classiques ».

Selon Brassard, « l’importance de notre travail est devenue beaucoup plus évidente après que Shor ait détruit tout le reste ». L’algorithme de Shor est maintenant l’un des algorithmes quantiques qui constituent le langage à développement rapide qui sera parlé par les ordinateurs quantiques de demain.

Une autre des contributions de Shor est un algorithme utilisé pour corriger les erreurs des ordinateurs quantiques, « une condition essentielle pour permettre et mettre à l’échelle les calculs quantiques », a écrit le comité.

Les ordinateurs quantiques sont exposés à un grand volume de bruit, ce qui provoque de nombreuses erreurs. « Tout le monde pensait qu’on ne pouvait pas corriger les erreurs sur les ordinateurs quantiques », se souvient M. Shor, « car dès que vous essayez de mesurer un système quantique, vous le perturbez. En d’autres termes, si vous essayez de mesurer l’erreur afin de la corriger, vous la perturbez et le calcul est interrompu. Mon algorithme a montré que vous pouvez isoler et corriger l’erreur tout en préservant le calcul ».

La cryptographie quantique est l’une des branches les plus avancées de la technologie quantique, que les lauréats considèrent comme une perspective à long terme. « Il faudra attendre cinq ou dix ans avant qu’un ordinateur quantique puisse faire quelque chose d’utile », déclare M. Shor. Avec le temps, cependant, il est convaincu que ces machines offriront des applications révolutionnaires. Par exemple, en biomédecine, « il faut énormément de temps d’ordinateur pour simuler le comportement des molécules », dit-il. « Mais les ordinateurs quantiques pourraient y parvenir, et aider à concevoir de nouveaux médicaments ».

La Fondation BBVA promeut les connaissances fondées sur la recherche et la création artistique et culturelle, et soutient l’activité d’analyse des questions émergentes dans cinq domaines stratégiques : environnement, biomédecine et santé, économie et société, sciences fondamentales et technologie, et culture. Les prix Frontières de la connaissance, qui couvrent huit catégories de prix, reconnaissent la recherche et le travail créatif d’excellence comme faisant partie intégrante des avancées théoriques, des développements technologiques ou des œuvres et styles artistiques innovants, ainsi que les contributions fondamentales pour relever les principaux défis du XXIe siècle.

Depuis son lancement en 2009, le BBVA a également décerné des prix au MIT Susan Solomon pour le changement climatique ; Marvin Minsky, Adi Shamir, Silvio Micali, Shafi Goldwasseret Ronald Rivest pour les technologies de l’information et de l’informatique ; Stephen Buchwald pour les sciences fondamentales ; Edward Boyden pour la biologie et la biomédecine Daron Acemoglu pour l’économie.