Dans cet article, nous abordons une découverte majeure concernant la photosynthèse, processus essentiel permettant aux plantes de convertir le dioxyde de carbone en composés organiques grâce à l’énergie solaire. Les chercheurs ont identifié un mécanisme clé qui pourrait améliorer l’efficacité de la photosynthèse et augmenter les rendements agricoles.
Le rôle crucial du complexe LHCII dans la photosynthèse
Le complexe de collecte de lumière II (LHCII) est un ensemble de molécules de pigments liées à des protéines. Il bascule entre deux fonctions principales : dissiper l’excès d’énergie lumineuse sous forme de chaleur sous une forte intensité lumineuse grâce à la quenching non photochimique (NPQ), et transférer la lumière absorbée vers le centre de réaction avec une efficacité quasi unitaire sous une faible intensité lumineuse.
Des études de bio-ingénierie ont montré que l’accélération de la transition entre ces deux fonctions peut augmenter l’efficacité de la photosynthèse, par exemple, les rendements du soja ont été signalés pour augmenter jusqu’à 33%. Cependant, les changements structurels dynamiques au niveau atomique dans le LHCII qui activent cette régulation allostérique n’avaient pas été élucidés auparavant.
Une collaboration internationale pour élucider le mécanisme
Dans cette étude, des chercheurs dirigés par le Prof. WENG Yuxiang de l’Institut de Physique de l’Académie chinoise des Sciences, en collaboration avec le groupe du Prof. GAO Jiali du Shenzhen Bay Laboratory, ont combiné des études de microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) des structures dynamiques du LHCII à une résolution atomique avec des calculs de théorie fonctionnelle de la densité à plusieurs états (MSDFT) du transfert d’énergie entre les molécules de pigments photosynthétiques pour identifier l’interrupteur quantique de pigments photosynthétiques pour le transfert d’énergie intermoléculaire.
Dans le cadre de leur travail, ils ont rapporté une série de six structures cryo-EM, y compris l’état de transfert d’énergie avec le LHCII en solution et l’état de quenching d’énergie avec le LHCII confiné latéralement dans des nanodisques de membrane sous des conditions neutres et acides.
Le mécanisme de l’interrupteur quantique du LHCII
La comparaison de ces différentes structures montre que le LHCII subit un changement conformationnel lors de l’acidification. Ce changement modifie allostériquement la distance entre les pigments du locus de quenching de fluorescence Lutéine1 (Lut1) – Chlorophylle612 (Chl612) uniquement lorsque le LHCII est confiné dans des nanodisques de membrane, entraînant le quenching de Chl612 excité par Lut1. Ainsi, le LHCII confiné avec une pression latérale (par exemple, LHCII agrégé) est une condition préalable à la NPQ, tandis que le changement conformationnel induit par l’acide renforce le quenching de fluorescence.
Grâce aux calculs MSDFT des structures cryo-EM et de la structure cristalline connue dans les états quenchés, ainsi qu’aux expériences de fluorescence transitoire, un mécanisme d’interrupteur quantique significatif du LHCII a été révélé avec la distance Lut1-Chl612 comme facteur clé.
Cette distance régule le canal quantique de transfert d’énergie en réponse à la pression latérale sur le LHCII et au changement conformationnel, c’est-à-dire qu’un léger changement à sa distance critique de 5,6 Å permettrait une commutation réversible entre la collecte de lumière et la dissipation de l’excès d’énergie. Ce mécanisme permet une réponse rapide aux changements d’intensité lumineuse, assurant à la fois une efficacité élevée de la photosynthèse et une photoprotection équilibrée avec le LHCII comme interrupteur quantique.
Confirmation des prédictions théoriques
Auparavant, ces deux groupes de recherche avaient collaboré sur des simulations de dynamique moléculaire et des expériences de spectroscopie infrarouge ultra-rapide et avaient proposé que le LHCII soit une machine moléculaire régulée allostériquement. Leurs structures expérimentales cryo-EM actuelles confirment les changements structurels précédemment prédits théoriquement dans le LHCII.
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En synthèse
Les chercheurs ont identifié un mécanisme clé de la photosynthèse impliquant le complexe LHCII, qui pourrait améliorer l’efficacité de la photosynthèse et augmenter les rendements agricoles. En combinant la microscopie électronique cryogénique et la théorie fonctionnelle de la densité à plusieurs états, ils ont élucidé le mécanisme d’interrupteur quantique du LHCII, permettant une réponse rapide aux changements d’intensité lumineuse et assurant une photoprotection équilibrée.
Pour une meilleure compréhension
Qu’est-ce que le complexe LHCII ?
Le complexe de collecte de lumière II (LHCII) est un ensemble de molécules de pigments liées à des protéines, jouant un rôle crucial dans la photosynthèse en basculant entre la dissipation de l’excès d’énergie lumineuse et le transfert de lumière absorbée vers le centre de réaction.
Comment les chercheurs ont-ils étudié le mécanisme du LHCII ?
Les chercheurs ont combiné des études de microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) des structures dynamiques du LHCII à une résolution atomique avec des calculs de théorie fonctionnelle de la densité à plusieurs états (MSDFT) du transfert d’énergie entre les molécules de pigments photosynthétiques.
Quel est le mécanisme d’interrupteur quantique du LHCII ?
Le mécanisme d’interrupteur quantique du LHCII repose sur la distance entre les pigments Lutéine1 (Lut1) et Chlorophylle612 (Chl612), qui régule le canal quantique de transfert d’énergie en réponse à la pression latérale sur le LHCII et au changement conformationnel.
Quels sont les avantages potentiels de cette découverte ?
Cette découverte pourrait permettre d’améliorer l’efficacité de la photosynthèse et d’augmenter les rendements agricoles en optimisant le mécanisme d’interrupteur quantique du LHCII pour une réponse rapide aux changements d’intensité lumineuse et une photoprotection équilibrée.
Comment cette étude confirme-t-elle les prédictions théoriques précédentes ?
Les structures expérimentales cryo-EM obtenues dans cette étude confirment les changements structurels précédemment prédits théoriquement dans le LHCII, soutenant l’idée que le LHCII est une machine moléculaire régulée allostériquement.
Article : « Cryo-EM structures of LHCII in photo-active and photo-protecting states reveal allosteric regulation of light harvesting and excess energy dissipation » – DOI : 10.1038/s41477-023-01500-2
