Des chercheurs synthétisent une molécule photosynthétique présente dans les bactéries

Tracey Peake

Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord ont réussi à synthétiser la bactériochlorophylle a, un pigment photosynthétique présent dans les bactéries qui absorbe la lumière infrarouge. Ce travail représente la première synthèse chimique de cette molécule et pourrait offrir aux scientifiques des perspectives plus approfondies sur la fonction photosynthétique et l’énergie photosynthétique.

« Il existe deux “mondes” de la photosynthèse : le monde vert des plantes que nous connaissons tous, et un monde microbien qui représente une forme plus simple de photosynthèse où aucun oxygène n’est produit », explique Jonathan Lindsey, professeur distingué Glaxo de chimie à NC State et auteur correspondant de la recherche.

« Ces microbes photosynthétiques ont été intensivement étudiés comme une pierre angulaire de la science fondamentale dans le domaine de la photosynthèse », souligne Lindsey. « Mais leurs pigments absorbant la lumière n’ont pas été des cibles de synthèse chimique. »

Cela est dû, en partie, à la structure de la molécule de bactériochlorophylle a, une grosse molécule en forme de disque, ou macrocycle, composée de cinq cycles d’atomes. Structurellement, le cinquième cycle extérieur – connu sous le nom de cycle E – a toujours été un défi pour les chimistes.

Les approches antérieures pour synthétiser le macrocycle consistaient à créer les quatre cycles intérieurs puis à essayer de fixer le cycle E à l’extérieur. Mais le groupe de NC State a adopté une approche différente.

« Le cycle E, le cinquième cycle, a toujours été considéré comme cette ultime montagne à gravir », affirme Duy Chung, qui a obtenu son doctorat à NC State tout en menant cette recherche.

« Ce que nous avons fait, c’est synthétiser les deux moitiés du macrocycle, puis utiliser des constituants du cycle E comme site de jonction pour assembler les deux moitiés », détaille Chung. « Lorsque les moitiés sont attachées à un atome qui deviendra finalement le cycle E, une réaction en cascade se déclenche et la molécule s’auto-assemble à la dernière étape. ». Chung est le premier auteur de l’article.

Les chercheurs espèrent que cette stratégie pourra être utilisée pour synthétiser d’autres macrocycles photosynthétiques d’intérêt, conduisant à une exploration accrue dans les sciences de la photosynthèse et de l’énergie.

« Cette méthode d’auto-assemblage pourrait ouvrir l’accès à toute la famille de molécules », estime Lindsey. « Et à partir de là, nous pouvons fabriquer des dérivés spécifiques pour l’expérimentation. »

« Il m’a toujours frappé que les biologistes moléculaires puissent intervenir et faire toutes sortes de manipulations génétiques pour créer des organismes modifiés et adapter les protéines qui retiennent ces pigments, mais que les pigments eux-mêmes ne puissent pas être créés à partir de rien par des méthodes de synthèse chimique. Mais c’est ce que nous avons réussi à faire ici – créer une méthode pour synthétiser ces macrocycles. »

Résumé :
Les tétrapyrroles photosynthétiques absorbent la lumière pour alimenter la biosphère, mais ont été largement négligés comme cibles de synthèse chimique. La bactériochlorophylle a – un macrocycle clé dans le centre réactionnel photosynthétique bactérien – contient quatre stéréocentres à la bordure du chromophore bactériochlorine en raison du groupe transdialkyle dans chaque cycle pyrroline (B, D), et un b-cétoester épimérisable intégré dans le cycle isocyclique (E). Ici, chaque paire de substituants vicinaux stéréodéfinis a été introduite sous forme d’un bloc de construction chiral 4-nitroalcane, qui a été converti en alcynone pour un couplage ultérieur avec un iodopyrrole (A, C), donnant les dihydrodipyrrines AD et BC. Les dihydrodipyrrines ont été équipées de groupes réactifs (1-formyl, moitié AD ; 1-(1,1-diméthoxyméthyl) et 8-(3-méthoxy-1,3-dioxopropyl, moitié BC) adaptés à la formation dirigée du macrocycle. La condensation de Knoevenagel des moitiés AD et BC a donné une propenone, le nexus pour construire le cycle E conjointement avec le macrocycle dans la fermeture à double cycle en un seul flacon (cyclisation de Nazarov, substitution électrophile aromatique, élimination de méthanol). La bactériophéophorbide aromatique a été obtenue sous forme de propanoate de 2-triméthylsilyléthyle, qui après acidolyse et estérification avec le phytol a donné la bactériophéophytine a ; une magnésiation ultérieure a donné la bactériochlorophylle a. La modularité de la synthèse, la construction simple de blocs asymétriques et l’assemblage convergent des moitiés AD et BC suggèrent que cette voie pourrait fournir un accès à divers macrocycles photosynthétiques.

Auteurs : Duy Chung, Khiem Nguyen, Yizhou Liu, North Carolina State University

Article : “Synthesis of bacteriochlorophyll a” – Journal : Chemical Science – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude