Les chimistes découvrent pourquoi la récolte de lumière est si efficace pour la photosynthèse

Lorsque les cellules photosynthétiques absorbent la lumière du soleil, des paquets d’énergie appelés photons sautent entre une série de protéines collectrices de lumière jusqu’à ce qu’ils atteignent le centre de la réaction photosynthétique. Là, les cellules convertissent l’énergie en électrons, qui finissent par alimenter les molécules de sucre.

Ce transfert d’énergie à travers le complexe de collecte de lumière se produit avec une efficacité extrêmement élevée : presque chaque photon de lumière absorbé génère un électron, un phénomène connu sous le nom d’efficacité quantique proche de l’unité.

Une nouvelle étude menée par des chimistes du MIT propose une explication possible de la façon dont les protéines du complexe de collecte de lumière, également appelées antennes, atteignent une efficacité aussi élevée. Pour la première fois, les chercheurs ont pu mesurer le transfert d’énergie entre les protéines collectrices de lumière, leur permettant de découvrir que l’arrangement désordonné de ces protéines améliore l’efficacité du transfert d’énergie.

« Pour que cette antenne fonctionne, vous devez transmettre de l’énergie sur de longues distances. Notre principale découverte est que la régulation perturbée des protéines récoltant la lumière améliore l’efficacité de la transmission d’énergie sur de longues distances », explique Gabriella Schlau-Cohen, professeure agrégée de chimie. au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.

Les boursiers postdoctoraux du MIT Dehau Wang et Dvir Harris et l’ancienne étudiante diplômée du MIT Olivia Febig Ph.D. Ils sont les principaux auteurs de l’article publié dans Actes de l’Académie nationale des sciences. Jianshu Cao, professeur de chimie au MIT, est également l’auteur de l’article.

Captage d’énergie

Dans cette étude, l’équipe du MIT s’est concentrée sur les bactéries violettes, qui se trouvent souvent dans des environnements aqueux pauvres en oxygène et couramment utilisées comme modèle pour les études de récolte de lumière photosynthétique.

Au sein de ces cellules, les photons capturés voyagent à travers des complexes collecteurs de lumière constitués de protéines absorbant la lumière et de pigments tels que la chlorophylle. En utilisant la spectroscopie ultrarapide, une technique qui utilise des impulsions laser extrêmement courtes pour étudier les événements qui se produisent sur des échelles de temps allant de la femtoseconde à la nanoseconde, les scientifiques ont pu étudier comment l’énergie se déplace dans l’une de ces protéines. Cependant, l’étude de la transmission de l’énergie entre ces protéines s’est avérée plus difficile car elle nécessite le positionnement de plusieurs protéines de manière contrôlée.

Pour créer une configuration expérimentale où ils pourraient mesurer comment l’énergie est transférée entre deux protéines, l’équipe du MIT a conçu des membranes nanosynthétiques avec une composition similaire à celle des membranes cellulaires naturelles. En contrôlant la taille de ces membranes, appelées nanodisques, ils ont pu contrôler la distance entre deux protéines intégrées dans les disques.

Dans cette étude, les chercheurs ont combiné deux copies de la protéine primaire collectrice de lumière trouvée dans les bactéries violettes, connue sous le nom de LH2 et LH3, dans des nanodisques. LH2 est la protéine présente dans des conditions de lumière normales et LH3 est une variante qui n’est normalement exprimée que dans des conditions de faible luminosité.

En utilisant la microscopie électronique cryogénique à l’installation MIT.nano, les chercheurs ont pu imager les protéines intégrées dans la membrane et montrer qu’elles étaient positionnées à des distances similaires à celles observées dans la membrane d’origine. Ils ont également pu mesurer les distances entre les protéines collectrices de lumière, qui étaient sur une échelle de 2,5 à 3 nanomètres.

Troubler c’est mieux

Parce que LH2 et LH3 absorbent des longueurs d’onde légèrement différentes de la lumière, il est possible d’utiliser la spectroscopie ultrarapide pour surveiller le transfert d’énergie entre eux. Pour les protéines qui sont si proches les unes des autres, les chercheurs ont découvert qu’il faut environ 6 picosecondes pour qu’un photon d’énergie se déplace entre elles. Pour les protéines distantes, le transport prend jusqu’à 15 picosecondes.

Un voyage plus rapide se traduit par un transfert d’énergie plus efficace, car plus le vol est long, plus la perte d’énergie pendant la transmission est importante.

« Lorsqu’un photon est absorbé, vous n’avez que peu de temps avant que l’énergie ne soit perdue par des processus indésirables comme la désintégration non radiative, donc plus il est converti rapidement, plus il est efficace », explique Schlau-Cohen.

Les chercheurs ont également découvert que les protéines disposées dans une structure en treillis présentaient un transfert d’énergie moins efficace que les protéines disposées dans des structures organisées de manière aléatoire, comme c’est généralement le cas dans les cellules vivantes.

« La régulation organisée est en fait moins efficace que la régulation désordonnée de la biologie, ce que nous pensons être vraiment intéressant parce que la biologie a tendance à être désordonnée. Cette découverte nous indique que ce n’est peut-être pas seulement un inconvénient inévitable de la biologie, mais que les organismes ont évolué pour adopter ça », dit Schlau Cohen. .

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