Fils d'un médecin d'origine russe, venu en France en 1880, Lwoff mène conjointement des études à la faculté de médecine de Paris (thèse de doctorat en 1927) et à la Sorbonne (docteur ès sciences en 1932). À partir de 1921, il étudie la protozoologie avec Édouard Chatton qui le recommande à Félix Mesnil, chef du laboratoire consacré aux maladies exotiques à l'Institut Pasteur de Paris : boursier (1921), puis assistant (1925) dans ce laboratoire, il en prendra la direction de 1929 à 1938, ne le quittant que pour un séjour auprès de O. Meyerhof à Heidelberg (1932) où il étudie les problèmes et les techniques du métabolisme cellulaire, et auprès de David Keilin, à Cambridge (1936). En 1938, l'Institut Pasteur crée le service de physiologie microbienne et lui en confie la charge. Avec J. Monod et F. Jacob, il en fait un pôle d'attraction pour les chercheurs des quatre coins du monde. Chef de service honoraire depuis 1968, professeur honoraire à la faculté des sciences, directeur de l'Institut de recherches scientifiques sur le cancer (C.N.R.S. ; 1968-1972), il est membre des principales sociétés scientifiques françaises et étrangères, docteur honoris causa de nombreuses universités (Chicago, Oxford, Glasgow, Louvain, Liège, Bucarest et Bruxelles), commandeur de la Légion d'honneur et lauréat du prix Nobel de médecine (avec Monod et Jacob) en 1965.
C'est en travaillant dans le laboratoire de Chatton qu'il commence sa carrière de chercheur. Il établit la notion des métamorphoses ciliaires et révèle la continuité génétique des cinétosomes. L'étude de l'origine de la ciliature chez les bourgeons des infusoires dépourvus de cils à l'état adulte le conduit à la notion de ciliature réduite aux cinétosomes. Puis il décrit un cilié possédant un seul type de noyau, détruisant ainsi le dogme du dualisme nucléaire des infusoires. Enfin, il montre que l'activité des cinétosomes, leur organisation en structures spécifiques, leur division et l'expression de leurs potentialités dépendent de leu […]
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