Nouvelle éclairage sur le processus de photosynthèse

La photosynthèse est le processus utilisé par les plantes, les algues et les cyanobactéries pour transformer la lumière solaire en énergie chimique qui peut être stockée puis relâchée ultérieurement pour alimenter l'activité cellulaire. Cette énergie chimique est stockée dans des molécules d'hydrate de carbone, comme les sucres, qui sont formées de dioxyde de carbone et d'eau et qui rejettent l'oxygène libérée comme déchet. La photosynthèse maintient les niveaux d'oxygène dans l'atmosphère et fournit virtuellement tous les composés organiques et l'énergie nécessaires à la vie sur terre.

Les plantes doivent fonctionner dans des conditions de lumière et dans des environnements différents, déclare le Dr Gergely Nagy du Laboratoire de Diffusion Neutronique du PSI, premier auteur de l'étude publiée dans PNAS. Elles doivent réagir aux changements de couleur de la lumière et gérer l'exposition des feuilles, qui diffère du sommet à la base d'une plante. Il en est de même pour les algues dans l'eau qui se trouvent à différentes profondeurs dans la mer ou les lacs.

Les algues et les plantes répondent aux changements de qualité de la lumière en régulant la capacité d'absorption de leurs deux photosystèmes. Ces deux photosystèmes sont enfouis dans des membranes (les membranes thylakoïdes) empilées à l'intérieur de petits compartiments appelés chloroplastes. La photosynthèse est un processus très sensible, déclare le Dr Nagy. Les deux photosystèmes sont connectés entre eux et un déséquilibre de l'énergie absorbée entre les deux systèmes peut les endommager".

Comprendre les transitions d'état

La transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique est équilibrée dans les deux photosystèmes par un mécanisme de régulation sophistiqué appelé transitions d'état. Bien que le concept de transitions d'état soit établi depuis 1969, ce n'est que récemment que des progrès ont été réalisés dans la compréhension en profondeur de ce processus complexe et des changements structuraux associés.

Les données que nous avons obtenues nous permettent de proposer un modèle général pour les transitions d'état dans les algues, qui explique le mécanisme moléculaire et les conséquences physiologiques et clarifie la nature des changements structuraux qui y sont associés déclare le Dr Nagy. Nous avons découvert que les transitions d'état modifiaient l'empilement et la périodicité des membranes thylakoïdes et altéraient les interactions protéine-protéine à l'intérieur de ces membranes.

Ces changements structuraux accompagnent la conversion de l'une des protéines collectrices de lumière (LHCII) en mode inactif, de dissipation de l'énergie avec uniquement des déplacements mineurs des protéines LHCII collectrices de lumière dans la membrane. Ces nouvelles découvertes diffèrent des concepts précédents qui considéraient que différentes quantités de protéines LHCII– jusqu'à 80% dans certaines microalgues – se déplaçaient entre les deux photosystèmes dans la membrane pendant les transitions de phase, déclare le Dr Nagy.

Apports de la diffusion neutronique

L'équipe de chercheurs a développé une série de techniques non-invasives pour étudier les cellules vivantes des algues vertes Chlamydomonas reinhardtii dans un environement naturel : la diffusion neutronique (diffusion aux petits angles – SANS) associée à des expériences utilisant la lumière visible (dichroïsme circulaire et absorption avec résolution temporelle et spectroscopie de fluorescence).

La diffusion neutronique est une technique bien adaptée à l'étude des échantillons biologiques : elle est non-destructive et il n'est pas nécessaire de colorer un échantillon ou de le fixer avec des produits chimiques ou à basses températures. Les cellules vivantes dans des conditions naturelles sont illuminées par un faisceau de neutrons et les données collectées à partir du faisceau diffusé peuvent être utilisées pour calculer les informations structurelles dans l'échantillon dans une gamme allant du nanomètre au micromètre.

Les expériences neutroniques sont particulièrement bien adaptées pour fournir des informations structurelles précises sur l'ultrastructure des membranes, a déclaré le Dr Nagy. Les transitions d'état affectent profondément l'organisation des membranes thylakoïdes photosensibles dans le chloroplaste de l'algue. Les expériences neutroniques donnent une perspective unique qui nous permet de regarder les transitions d'états au moment où elles se passent. C'est la première fois que les changement d'ultrastructure ont pu être clairement identifiés grâce aux neutrons.

Les expériences de diffusion neutronique ont été effectuées à l'Institut Laue-Langevin, la source de neutrons française, et au SINQ, la source de neutrons de l'Institut Paul Scherrer en Suisse.

Texte : Martyn Bull

À propos du PSI

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 1900 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 350 Mio.