Le MIT révèle les secrets de l’efficacité de la photosynthèse

Dans l’impérieuse lutte pour la vie, les organismes photosynthétiques exploitent avec une efficacité étonnante l’énergie lumineuse du soleil pour créer les molécules de sucre qui soutiennent leur existence. Comment y parviennent-ils ? Une nouvelle recherche du MIT offre une lumière surprenante sur ce processus qui reste largement mystérieux.

La photosynthèse se produit lorsque les cellules photosynthétiques absorbent la lumière du soleil. Les photons, ces paquets d’énergie lumineuse, sautent d’une série de protéines collectrices de lumière jusqu’au centre de réaction photosynthétique. Là, l’énergie est convertie en électrons, lesquels finissent par alimenter la production de molécules de sucre.

Cette transition énergétique est remarquablement efficace. Quasiment chaque photon de lumière absorbée génère un électron, un phénomène connu sous le nom de rendement quantique proche de l’unité.

Nouvelles découvertes du MIT

Une nouvelle étude de chimistes du MIT propose une explication potentielle de l’efficacité exceptionnelle de ces protéines collectrices de lumière, également appelées antennes. Pour la première fois, les chercheurs ont réussi à mesurer le transfert d’énergie entre ces protéines. Ils ont découvert que leur organisation désordonnée favorise l’efficacité du transfert énergétique.

« Pour que cette antenne fonctionne, il faut une transduction d’énergie à longue distance. Notre découverte clé est que l’organisation désordonnée des protéines collectrices de lumière améliore l’efficacité de cette transduction d’énergie à longue distance », a déclaré Gabriela Schlau-Cohen, professeure associée de chimie au MIT et auteure principale de cette nouvelle étude.

La capture de l’énergie

Pour cette étude, l’équipe du MIT s’est concentrée sur les bactéries pourpres, souvent trouvées dans les environnements aquatiques pauvres en oxygène. Ces organismes sont couramment utilisés comme modèle pour les études de collecte de lumière photosynthétique.

Au sein de ces cellules, les photons capturés voyagent à travers des complexes de collecte de lumière composés de protéines et de pigments absorbant la lumière comme la chlorophylle. En utilisant la spectroscopie ultra-rapide, une technique qui utilise des impulsions laser extrêmement courtes pour étudier des événements sur des échelles de temps de femtosecondes à nanosecondes, les scientifiques ont pu étudier comment l’énergie se déplace au sein d’une seule de ces protéines.

Le désordre est meilleur

En raison de la légère différence de longueurs d’onde de lumière absorbées par les protéines LH2 et LH3, les chercheurs ont pu utiliser la spectroscopie ultra-rapide pour observer le transfert d’énergie entre elles. Pour des protéines proches l’une de l’autre, le transfert d’énergie prend environ 6 picosecondes. Pour des protéines plus éloignées, le transfert peut prendre jusqu’à 15 picosecondes.

Un transfert plus rapide signifie un transfert d’énergie plus efficace, car plus le trajet est long, plus l’énergie est perdue pendant le transfert.

« Lorsqu’un photon est absorbé, on a seulement un certain temps avant que cette énergie ne soit perdue par des processus indésirables comme la décomposition non radiative. Donc plus la conversion est rapide, plus elle sera efficace« , explique Schlau-Cohen.

De plus, les chercheurs ont découvert que les protéines organisées en structure de treillis présentent un transfert d’énergie moins efficace que celles qui sont organisées de manière aléatoire, comme c’est généralement le cas dans les cellules vivantes.

« L’organisation ordonnée est en fait moins efficace que l’organisation désordonnée de la biologie, ce que nous trouvons très intéressant parce que la biologie tend à être désordonnée. Cette découverte nous indique que cela peut ne pas être simplement un inconvénient inévitable de la biologie, mais que les organismes ont peut-être évolué pour en tirer avantage« , déclare Schlau-Cohen.

Maintenant qu’ils ont établi la capacité de mesurer le transfert d’énergie entre protéines, les chercheurs prévoient d’explorer le transfert d’énergie entre d’autres protéines, comme le transfert entre les protéines de l’antenne et les protéines du centre de réaction. Ils prévoient également d’étudier le transfert d’énergie entre les protéines de l’antenne présentes dans d’autres organismes que les bactéries violettes, comme les plantes vertes.

En synthèse

Les découvertes du MIT fournissent un éclairage fascinant sur le fonctionnement de la photosynthèse. Il est désormais évident que l’organisation désordonnée des protéines collectrices de lumière, loin d’être un simple sous-produit du chaos biologique, pourrait représenter une adaptation évolutive pour maximiser l’efficacité du transfert d’énergie.

Cependant, ces résultats proviennent de l’étude des bactéries pourpres, un modèle pratique mais limité. Les implications pour d’autres organismes photosynthétiques, y compris les plantes vertes que nous connaissons bien, restent à déterminer.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la photosynthèse ?
La photosynthèse est un processus par lequel les plantes et certains autres organismes convertissent la lumière solaire en énergie chimique stockable.

Qu’est-ce que le rendement quantique proche de l’unité ?
C’est un phénomène dans lequel presque chaque photon de lumière absorbée génère un électron.

Comment la spectroscopie ultra-rapide aide-t-elle dans cette étude ?
La spectroscopie ultra-rapide est une technique qui utilise des impulsions laser extrêmement courtes pour étudier des événements sur des échelles de temps de femtosecondes à nanosecondes. Elle a aidé les chercheurs à comprendre comment l’énergie se déplace au sein des protéines photosynthétiques.

Pourquoi l’organisation désordonnée est-elle préférable à l’organisation ordonnée dans le processus de photosynthèse ?
L’organisation désordonnée des protéines photosynthétiques favorise un transfert d’énergie plus rapide, ce qui rend le processus plus efficace. De plus, elle pourrait être une adaptation évolutive pour maximiser l’efficacité du transfert d’énergie.

Article : Elucidating interprotein energy transfer dynamics within the antenna network from purple bacteria http://dx.doi.org/10.1073/pnas.2220477120