Les secrets de la photosynthèse sont révélés

Découverte des secrets de la photosynthèse à l’échelle atomique : une avancée majeure pour la compréhension de ce super-pouvoir des plantes qui a verdi la Terre il y a plus d’un milliard d’années.

Des chercheurs du John Innes Centre ont utilisé une méthode de microscopie avancée appelée cryo-EM pour explorer la manière dont les protéines responsables de la photosynthèse sont produites. Cette étude, publiée dans la revue Cell, présente un modèle et des ressources qui permettront de stimuler d’autres découvertes fondamentales dans ce domaine et d’aider des objectifs à long terme tels que le développement de cultures plus résilientes.

« La transcription des gènes chloroplastiques est une étape fondamentale dans la production des protéines photosynthétiques dont les plantes ont besoin pour se développer. Nous espérons que, en comprenant mieux ce processus – dans ses moindres détails moléculaires – nous équiperons les chercheurs qui cherchent à développer des plantes avec une activité photosynthétique plus robuste », a précisé le Dr Michael Webster, responsable de l’équipe et co-auteur de l’article.

« Le résultat le plus important de ce travail est la création d’une ressource utile. Les chercheurs peuvent télécharger notre modèle atomique de la polymérase chloroplastique et l’utiliser pour produire leurs propres hypothèses sur la manière dont elle fonctionne et les stratégies expérimentales qui les testeraient », a ajouté le Dr Webster.

La photosynthèse se déroule à l’intérieur des chloroplastes, de petites compartiments à l’intérieur des cellules végétales qui contiennent leur propre génome, reflétant leur passé en tant que bactéries photosynthétiques libres avant d’être englouties et cooptées par les plantes.

L’équipe Webster au John Innes Centre étudie la manière dont les plantes produisent des protéines photosynthétiques, les machines moléculaires qui rendent possible cette réaction chimique élégante, convertissant le dioxyde de carbone atmosphérique et l’eau en sucres simples et produisant de l’oxygène comme sous-produit.

Le premier stade de la production des protéines est la transcription, où un gène est lu pour produire un ‘ARN messager‘. Ce processus de transcription est effectué par une enzyme appelée ARN polymérase.

Il a été découvert il y a 50 ans que les chloroplastes contiennent leur propre ARN polymérase unique. Depuis lors, les scientifiques ont été surpris par la complexité de cette enzyme. Elle a plus de sous-unités que son ancêtre, l’ARN polymérase bactérienne, et est même plus grande que les ARN polymérases humaines.

L’équipe de recherche voulait comprendre pourquoi les chloroplastes ont une ARN polymérase si sophistiquée. Pour ce faire, ils devaient visualiser l’architecture structurelle de l’ARN polymérase des chloroplastes.

L’équipe de recherche a utilisé une méthode appelée microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) pour imager des échantillons d’ARN polymérase des chloroplastes purifiés à partir de plantes de moutarde blanche.

En traitant ces images, ils ont pu créer un modèle qui contient les positions de plus de 50 000 atomes dans le complexe moléculaire.

Le modèle a permis aux chercheurs d’identifier une protéine qui interagit avec l’ADN au fur et à mesure de sa transcription et le guide vers le site actif de l’enzyme. Un autre composant peut interagir avec l’ARN messager qui est produit, ce qui le protège probablement des protéines qui le dégraderait avant qu’il ne soit traduit en protéine.

Le Dr Webster a conclu : « La chaleur, la sécheresse et la salinité limitent la capacité des plantes à effectuer la photosynthèse. Les plantes qui peuvent produire des protéines photosynthétiques de manière fiable face au stress environnemental peuvent contrôler la transcription chloroplastique différemment. Nous sommes impatients de voir notre travail utilisé dans l’effort important de développer des cultures plus robustes. »

Article : « Structure of the plant plastid-encoded RNA polymerase » – DOI: 10.1016/j.cell.2024.01.036