Découverte d’une structure unique de récupération de la lumière chez les algues marines

La photosynthèse, le processus naturel de conversion de l’énergie solaire en énergie chimique et de production d’oxygène moléculaire, est un phénomène naturel remarquable qui constitue non seulement la base de la survie de presque tous les organismes vivants sur Terre, mais qui fournit également un modèle pour la photosynthèse artificielle. Depuis des décennies, les chercheurs travaillent sur des technologies qui permettraient de reproduire ce processus artificiellement. Les systèmes photosynthétiques artificiels utilisent la technologie pour stocker l’énergie solaire dans des liaisons chimiques, ce qui pourrait permettre de créer des carburants durables comme l’hydrogène. Pour de telles applications futures, il est essentiel de bien comprendre les structures de la plante qui captent la lumière.

Une équipe de chercheurs dirigée par le professeur adjoint Romain La Rocca, le professeur associé Fusamichi Akita et le professeur Jian-Ren Shen de l’université d’Okayama, au Japon, a effectué une analyse à haute résolution d’un complexe photosynthétique trouvé dans une algue marine, Chrysotila roscoffensis, afin de découvrir l’une de ces structures. Cette algue marine appartient à l’espèce des coccolithophores connus pour produire des plaques de carbonate de calcium et fixer le carbone à la surface des océans.

Publiée en ligne le 5 mai 2025 dans Nature Communications, l’étude décrit la machinerie photosynthétique unique de l’espèce haptophyte et donne un aperçu plus approfondi de son mécanisme unique de capture de la lumière et de transfert d’énergie.

Les algues marines, en particulier les haptophytes, sont vitales pour la vie marine, contribuant jusqu’à 50 % de la biomasse de l’océan et jouant un rôle majeur dans le cycle mondial du carbone. Cependant, malgré leur importance, les détails moléculaires de la photosynthèse chez ces espèces sont restés peu explorés.

Le processus de photosynthèse implique principalement deux complexes protéine-pigment, le photosystème I (PSI) et le photosystème II (PSII). Le PSII est chargé d’initier le processus de photosynthèse en utilisant la lumière pour diviser l’eau en oxygène, protons et électrons, tandis que le PSI utilise les électrons du PSII et les excite à un niveau d’énergie plus élevé afin qu’ils puissent être utilisés dans le processus de synthèse des sucres.

La PSII se trouve dans la membrane thylakoïde des chloroplastes et se compose de protéines d’antenne, qui sont des complexes qui captent la lumière du soleil, et d’un centre de réaction appelé noyau photosynthétique (avec des chlorophylles spéciales (P680) et un complexe de séparation de l’eau). En utilisant des techniques d’imagerie avancées avec la cryo-microscopie électronique (cryo-EM) à une résolution impressionnante de 2,2 Å, les chercheurs ont cartographié le supercomplexe PSII-fucoxanthine-protéine de liaison à la chlorophylle c (FCPII) dans l’espèce haplophyte.

« Cette étude a analysé le premier modèle structurel d’un complexe PSII-FCPII chez les haptophytes », indique le Dr La Rocca. « Il est surprenant de constater que, contrairement aux autres systèmes PSII, le complexe des haptophytes présente une disposition unique des protéines de l’antenne autour du cœur du photosystème.

La structure montre une disposition et une structure caractéristiques des protéines d’antenne, qui sont constituées de six unités de protéines d’antenne FCPII par monomère de PSII. La disposition de ces protéines est très différente de celles observées chez les diatomées et les algues vertes, ce qui témoigne de l’adaptation de cette algue marine à son milieu de vie.

Les unités FCPII sont responsables de la collecte de la lumière et du transfert de l’énergie vers le cœur du photosystème. D’après la structure cryo-EM, une protéine d’antenne, FCPII-2, se distingue par son rôle central dans ce processus. Elle est positionnée de manière à recevoir l’énergie des antennes qui l’entourent et à la transmettre directement à la sous-unité centrale CP47 du PSII. La protéine FCPII-2 est également riche en pigments de fucoxanthine, qui peuvent absorber efficacement la lumière tout en dissipant l’énergie lumineuse excédentaire, empêchant ainsi les cellules d’être endommagées par une lumière intense.

Les chercheurs ont également identifié et séquencé Psb36, une sous-unité PSII non caractérisée auparavant, qui se trouve à l’interface entre le noyau et le système d’antennes. Bien que cette structure ait été observée dans des études antérieures sur les diatomées et les algues rouges, sa séquence n’avait pas été déterminée jusqu’à présent.

Cette étude révèle des détails importants qui permettront d’approfondir notre connaissance des systèmes photosynthétiques et devrait également contribuer au développement de systèmes de photosynthèse artificiels, car la disposition unique du système de récolte de la lumière indique l’efficacité de la récolte de la lumière dans certaines conditions d’éclairage.

« En comprenant la structure de leurs photosystèmes, nous nous rapprochons de l’imitation de ces systèmes naturels pour la récolte artificielle de l’énergie lumineuse », conclut le Dr Shen.

Source : U. Okayama

Article : « Structure of a photosystem II-FCPII supercomplex from a haptophyte reveals a distinct antenna organization » – DOI : 10.1038/s41467-025-59512-9