Une photosynthèse améliorée pour de nouvelles énergies renouvelables

Des chercheurs ont « piraté » les premiers stades de la photosynthèse, la machine naturelle qui alimente la grande majorité de la vie sur Terre, et ont découvert de nouveaux moyens d’extraire l’énergie du processus, une découverte qui pourrait déboucher sur de nouvelles méthodes de production de carburant propre et d’énergie renouvelable.

Une équipe internationale de physiciens, de chimistes et de biologistes, dirigée par l’université de Cambridge, a pu étudier la photosynthèse – le processus par lequel les plantes, les algues et certaines bactéries convertissent la lumière du soleil en énergie – dans des cellules vivantes à une échelle de temps ultrarapide : un millionième de millionième de seconde.

Bien qu’il s’agisse de l’un des processus les plus connus et les plus étudiés sur Terre, les chercheurs ont découvert que la photosynthèse avait encore des secrets à révéler. En utilisant des techniques spectroscopiques ultrarapides pour étudier le mouvement de l’énergie, les chercheurs ont découvert que les substances chimiques capables d’extraire des électrons des structures moléculaires responsables de la photosynthèse le font dès les premières étapes, et non beaucoup plus tard, comme on le pensait auparavant. Ce « recâblage » de la photosynthèse pourrait améliorer la façon dont elle traite l’énergie excédentaire et créer de nouveaux moyens plus efficaces d’utiliser sa puissance. Les résultats sont publiés dans la revue Nature.

« Nous n’en savions pas autant sur la photosynthèse que nous le pensions, et la nouvelle voie de transfert d’électrons que nous avons découverte ici est tout à fait surprenante« , a déclaré le Dr Jenny Zhang, du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, qui a coordonné la recherche.

Bien que la photosynthèse soit un processus naturel, les scientifiques ont également étudié la manière dont elle pourrait être utilisée pour contribuer à résoudre la crise climatique, en imitant les processus photosynthétiques pour générer des carburants propres à partir de la lumière du soleil et de l’eau, par exemple.

À l’origine, Zhang et ses collègues cherchaient à comprendre pourquoi une molécule en forme d’anneau, appelée quinone, est capable de « voler » des électrons à la photosynthèse. Les quinones sont courantes dans la nature et peuvent facilement accepter et céder des électrons. Les chercheurs ont utilisé une technique appelée spectroscopie d’absorption transitoire ultrarapide pour étudier le comportement des quinones dans les cyanobactéries photosynthétiques.

« Personne n’avait étudié correctement la façon dont cette molécule interagit avec les machines photosynthétiques à un stade aussi précoce de la photosynthèse : nous pensions utiliser une nouvelle technique pour confirmer ce que nous savions déjà« , a déclaré M. Zhang. « Au lieu de cela, nous avons découvert une toute nouvelle voie et ouvert un peu plus la boîte noire de la photosynthèse ».

En utilisant la spectroscopie ultrarapide pour observer les électrons, les chercheurs ont découvert que l’échafaudage protéique où se déroulent les réactions chimiques initiales de la photosynthèse est « fuyant« , ce qui permet aux électrons de s’échapper. Cette fuite pourrait aider les plantes à se protéger des dommages causés par une lumière vive ou changeant rapidement.

« La physique de la photosynthèse est très impressionnante« , a déclaré le coauteur Tomi Baikie, du Cavendish Laboratory de Cambridge. « Normalement, nous travaillons sur des matériaux très ordonnés, mais l’observation du transport de charges à travers les cellules ouvre des perspectives remarquables pour de nouvelles découvertes sur le fonctionnement de la nature.« 

« Comme les électrons issus de la photosynthèse sont dispersés dans l’ensemble du système, cela signifie que nous pouvons y accéder« , a déclaré le Dr Laura Wey, coauteur de l’étude, qui a effectué les travaux au sein du département de biochimie et qui travaille actuellement à l’université de Turku, en Finlande. « Le fait que nous ignorions l’existence de cette voie est passionnant, car nous pourrions être en mesure de l’exploiter pour extraire davantage d’énergie pour les énergies renouvelables. »

Selon les chercheurs, la possibilité d’extraire des charges à un stade précoce du processus de photosynthèse pourrait rendre le processus plus efficace lors de la manipulation des voies photosynthétiques afin de produire des carburants propres à partir du soleil. En outre, la capacité de réguler la photosynthèse pourrait permettre aux cultures de mieux tolérer un ensoleillement intense.

« De nombreux scientifiques ont essayé d’extraire des électrons à un stade antérieur de la photosynthèse, mais ils ont dit que ce n’était pas possible parce que l’énergie était enfouie dans l’échafaudage protéique« , a déclaré M. Zhang. « Le fait que nous puissions les voler à un stade plus précoce du processus est époustouflant. Au début, nous avons pensé que nous avions fait une erreur : il nous a fallu un certain temps pour nous convaincre que nous avions réussi« .

La clé de la découverte a été l’utilisation de la spectroscopie ultrarapide, qui a permis aux chercheurs de suivre le flux d’énergie dans les cellules photosynthétiques vivantes à l’échelle de la femtoseconde – un millième d’un trillionième de seconde.

« L’utilisation de ces méthodes ultrarapides nous a permis de mieux comprendre les premiers événements de la photosynthèse, dont dépend la vie sur Terre« , a déclaré le professeur Christopher Howe, du département de biochimie, coauteur de l’étude.

CREDIT / Robin Horton

La recherche a été soutenue en partie par l’Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), le Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC), qui fait partie du UK Research and Innovation (UKRI), ainsi que par le Winton Programme for the Physics of Sustainability de l’université de Cambridge, le Cambridge Commonwealth, European & International Trust, et le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne. Jenny Zhang est titulaire d’une bourse David Phillips au département de chimie Yusuf Hamied et membre du Corpus Christi College de Cambridge. Tomi Baikie est titulaire d’une bourse NanoFutures au Cavendish Laboratory. Laura Wey est titulaire d’une bourse postdoctorale de la Fondation Novo Nordisk à l’université de Turku.