Photo-production d’hydrogène : un concurrent plutôt inattendu

Au cours de la photosynthèse, certaines microalgues produisent de l’hydrogène, via une enzyme, l’hydrogénase, qui utilise l’énergie photosynthétique. Toutefois, l’hydrogénase est inhibée par l’oxygène produit par la photosynthèse, ce qui limite fortement les potentielles applications biotechnologiques.

Des enzymes utilisant l’énergie photosynthétique pour capter l’oxygène semblaient pouvoir protéger l’hydrogénase d’une telle inhibition. Les chercheurs ont mis en évidence que ces enzymes sont en fait un frein à la production d’hydrogène. Ces résultats ont été publiés dans Plant Physiology.

La production d’hydrogène chez les microalgues est liée à une enzyme nommée hydrogénase qui utilise l’énergie de la photosynthèse. Cette enzyme est inhibée irréversiblement par l’oxygène produit par la photosynthèse en présence de lumière. A l’aube, la lumière solaire active la photosynthèse : hydrogène et oxygène sont produits simultanément pendant plusieurs minutes jusqu’à ce que l’oxygène inhibe l’hydrogénase. Cette inhibition par l’oxygène constitue l’une des limitations majeure de la bio-production d’hydrogène. Des flavoprotéines à fer, enzymes récemment identifiées chez les microalgues comme ayant la capacité d’utiliser l’énergie de la photosynthèse pour réduire de l’oxygène, semblaient pouvoir protéger l’hydrogénase de l’oxygène en l’éliminant lors de la production d’hydrogène. Ces mécanismes d’utilisation de l’oxygène étaient ainsi vus comme des alliés permettant de favoriser la photo-production d’hydrogène.

Afin de tester cette hypothèse, les chercheurs ont mis au point une méthode d’étude de la production et du recyclage de l’oxygène basée sur des mesures simultanées des échanges gazeux photosynthétiques et de la fluorescence de la chlorophylle. Cela leur a permis de démontrer l’existence d’une consommation d’oxygène utilisant l’énergie de la photosynthèse lors de la photo-production d’hydrogène. En quête du mécanisme de protection de l’hydrogènase, ils ont utilisé cette méthode sur un mutant dépourvu de la flavoprotéine à fer. L’absence de cette enzyme entrainait bien une forte baisse de la consommation d’oxygène mais également une augmentation de la production d’hydrogène de près de 30 %. Les chercheurs ont ainsi démontré que l’hydrogénase n’était pas protégée par la flavoprotéine à fer, mais que cette enzyme, ainsi que l’hydrogénase, qui utilisent toutes deux la même source d’énergie (la photosynthèse), entrent en compétition. Au vu de ces travaux, c’est tout un paradigme qui est modifié : les mécanismes de consommation d’oxygène qui étaient vus comme des alliés de la production d’hydrogène s’avèrent avoir un rôle plus ambigu.

La compréhension des mécanismes régissant l’équilibre entre consommation de l’oxygène et production d’hydrogène est la pierre angulaire du développement de la photo-production d’hydrogène de demain. Les recherches collaboratives qui se poursuivent au laboratoire visent à développer des stratégies de protection de l’hydrogénase contre l’oxygène en utilisant des concepts de biologie synthétique.

Figure : Production d’hydrogène lors de l’illumination de différentes souches de microalgues en anaérobiose. Lorsque des cellules acclimatées en anaérobiose à l’obscurité sont éclairées, elles produisent transitoirement de l’hydrogène. Une souche de microalgues mutante dépourvue d’un mécanisme de consommation l’oxygène (noir) produit plus d’hydrogène qu’une souche de type sauvage (rouge).

© Adrien Burlacot & Gilles Peltier

Flavodiiron-mediated O2 photoreduction links H2 production with CO2 fixation during the anaerobic induction of photosynthesis. 
Burlacot A, Sawyer A, Cuiné S, Auroy P, Blangy S, Happe T, Peltier G.
Plant Physiol. 2018 Jul 5. pii: pp.00721.2018. doi: 10.1104/pp.18.00721.
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[ Article repris avec l'aimable autorisation ]

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