Alors que les montagnes et les arbres de la Napa Valley en Californie défilent par la fenêtre de la voiture, David Kastner, alors âgé de 6 ans, engage une conversation animée avec son père. Le sujet de leur discussion est familier, passant naturellement de la gravité à l’électromagnétisme. Depuis aussi loin qu’il se souvienne, la curiosité scientifique a toujours été au cœur de leurs échanges lors de ces trajets.
« Je me souviens avoir été fasciné par la complexité de l’univers et par le fait que si peu de gens le comprennent », se rappelle Kastner, aujourd’hui doctorant en quatrième année de bio-ingénierie. « J’ai toujours voulu découvrir de nouvelles vérités sur l’univers. »
Près de deux décennies plus tard, Kastner poursuit ses études au MIT, se concentrant sur un sous-ensemble complexe de protéines appelées métalloenzymes dans les laboratoires de Heather Kulik, professeure de génie chimique, et de Forest White, professeur de génie biologique. Animé par la même curiosité qui nourrissait ses discussions avec son père, Kastner est motivé par le désir d’exploiter le potentiel chimique et médical des enzymes à travers des approches informatiques et mécanistiques.
Les recherches de Kastner visent à découvrir les principes fondamentaux de la réactivité des enzymes en utilisant des méthodes informatiques avancées. Cependant, son approche de la recherche ne se limite pas à la physique, la chimie et la biologie, mais inclut également l’art, qui a toujours fait partie intégrante de sa vie. Kastner crée de superbes illustrations 3D de systèmes moléculaires, rendant ses recherches plus accessibles à un public plus large.
« Voir la science d’une manière si réaliste que vous avez l’impression de pouvoir la toucher peut avoir plus d’impact qu’un graphique à barres ou un histogramme », explique-t-il. « Si les scientifiques s’efforçaient davantage de présenter leurs travaux de manière engageante et intéressante, nous aurions plus de personnes impliquées dans la science. »
Forme et fonction en équilibre
Les recherches de Kastner couvrent divers domaines, allant des calculs de chimie quantique à l’ingénierie des protéines, en passant par la bioinformatique, la chimie organique synthétique et les modèles de tissus de mammifères. Après avoir obtenu son baccalauréat en biophysique à l’Université Brigham Young, il a décidé de se concentrer sur les métalloenzymes lors de son programme de doctorat au MIT.
Parmi les métalloenzymes, Kastner a choisi de se spécialiser dans les métalloenzymes de haute valence, qui contiennent un atome métallique hautement réactif ayant perdu de nombreux électrons et cherchant à les récupérer. Ses enzymes préférées sont les enzymes de fer non héminiques, en raison de leur vaste répertoire de réactions chimiques, de leur applicabilité directe à la santé humaine et de la possibilité de moduler leurs sites actifs pour concevoir de nouvelles réactivités.
Cependant, conférer de nouvelles réactivités à d’anciennes enzymes n’est pas une tâche aisée. Son premier article publié, coécrit avec d’anciens membres du groupe de recherche Kulik, en témoigne.
Les recherches de Kastner explorent les différences mécanistiques entre les halogénases de fer non héminiques et les hydroxylases, deux classes d’enzymes hautement valentes qui activent des liaisons C – H normalement non réactives. En étudiant les tendances dans les bases de données structurelles et les simulations de dynamique moléculaire, il a identifié les interactions clés qui entraînent des différences subtiles dans l’angle de positionnement du substrat, influençant la réactivité. Les découvertes informatiques de Kastner suggèrent de nouvelles façons de convertir entre les halogénases et les hydroxylases.
Bien que l’intuition de la structure d’une enzyme puisse être très utile, il est parfois nécessaire d’aller au-delà de la structure. « Dès que vous ajoutez un métal au cœur d’une enzyme, la modélisation devient beaucoup plus difficile », dit-il. « Cela nécessite des outils uniques et sophistiqués pour comprendre la réactivité. C’est pourquoi nous avons tant besoin de calculs de chimie quantique dans nos recherches. »
Pour percer les secrets des catalyseurs naturels les plus efficaces, il est crucial d’observer au niveau le plus précis possible. La structure et la réactivité d’une enzyme donnée sont déterminées par les interactions entre les électrons qu’elle contient, d’où l’importance des méthodes informatiques quantiques.
L’importance de visualiser l’intégralité de l’enzyme à travers une lentille de mécanique quantique est apparue au premier plan des recherches de Kastner dans sa publication la plus récente. Kastner et ses collaborateurs ont découvert que la réactivité d’une classe de métalloenzymes artificielles miniatures était contrôlée par des changements dans la distribution dynamique des charges, permettant de voir comment les électrons et les charges fluctuent dans la structure d’une enzyme.
« Si vous vous intéressez au fonctionnement de la vie, il est logique de s’intéresser aux enzymes et aux protéines », dit-il. « Les enzymes sont la machinerie mise au point par l’évolution pour exploiter la physique et la chimie. »
« Cette question m’a toujours fasciné », poursuit-il. « Comment passer de ces lois physiques sous-jacentes purement mathématiques à des organismes vivants, respirants et dotés de sentiments ? »
L’art des sciences
En plus de ses recherches, Kastner utilise des programmes graphiques 3D comme Blender et VMD pour visualiser les systèmes macromoléculaires et leurs interactions. Ses travaux figurent sur les couvertures de revues scientifiques publiées par Nature et la Société chimique américaine, mais ses premières incursions dans l’art étaient bien plus simples.
« Je dessinais tout », dit-il. « C’était mon jeu favori. Je dessinais ; je demandais à mes parents de dessiner pour moi ; je demandais aux gens que je rencontrais : « Pouvez-vous dessiner ça pour moi ? » »
Sa mère, qui créait des œuvres hyperréalistes inspirées de la nature, a été sa plus grande influence artistique dès son plus jeune âge. Kastner se souvient particulièrement d’un lynx photoréaliste que sa mère avait dessiné sur un tableau à gratter accroché chez ses grands-parents, qu’il trouvait inspirant lorsqu’il était enfant.
Au lycée, il prenait l’art traditionnel très au sérieux, travaillant avec du charbon de bois et des huiles, remportant de nombreux concours. Cependant, il ne savait pas encore comment appliquer ces compétences à ses intérêts académiques.
« À cette époque, je n’avais pas encore compris comment concilier l’art et mon amour des sciences », dit-il. « Ils semblaient toujours si différents, et personne à qui j’ai parlé n’a essayé de les combiner. »
S’il avait vécu à la fin du XVe siècle en Italie, cela n’aurait peut-être pas été le cas. La Renaissance était marquée par des personnalités qui ne voyaient pas de frontières entre les disciplines, et peut-être aucune n’est plus emblématique que le scientifique préféré de Kastner : Léonard de Vinci.
« C’est incroyable que l’homme considéré comme le grand-père de l’anatomie et de la physiologie modernes soit aussi celui qui a peint la Joconde », dit-il. « J’ai l’impression que le monde serait meilleur si nous avions plus de gens comme Léonard de Vinci, capables de concilier les sciences et l’art. »
En fait, il pense que l’érosion de la confiance dans les scientifiques pourrait être atténuée si tel était le cas. Les articles évalués par des pairs sont denses et techniques car ils doivent décrire des expériences complexes de manière à rendre leurs résultats reproductibles, mais cela signifie que la personne moyenne ne les comprendra probablement pas. C’est là que l’art peut contribuer à combler le fossé.
« Si nous communiquons notre science de manière à toucher les gens ordinaires, je pense que cela éliminera automatiquement une partie de cette méfiance », dit-il. « Nous devons continuer à rédiger des articles comme nous le faisons ; il n’y a aucun moyen de contourner cela. Cependant, l’art scientifique peut rendre ces informations plus accessibles. En convertissant des données ésotériques en visuels familiers et pertinents, les chercheurs peuvent inviter des personnes de tous âges et de tous horizons à interagir avec leur science à travers le langage universellement partagé de l’art. »
