La photosynthèse joue un rôle crucial dans la formation et le maintien de la vie sur Terre, mais de nombreux aspects du processus restent un mystère. L’un de ces mystères est de savoir comment Photosystem II, un complexe de protéines dans les plantes, les algues et les cyanobactéries, récolte l’énergie de la lumière du soleil et l’utilise pour diviser l’eau, produisant l’oxygène que nous respirons. Aujourd’hui, des chercheurs du Laboratoire national Lawrence Berkeley du Département de l’énergie et du Laboratoire national des accélérateurs SLAC, ainsi que des collaborateurs de l’Université d’Uppsala et de l’Université Humboldt et d’autres institutions ont réussi à percer un secret clé du Photosystème II.
En utilisant la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC et le laser à électrons libres SPring-8 Angstrom Compact (SACLA) au Japon, ils ont capturé pour la première fois en détail atomique ce qui se passe dans les derniers instants précédant la libération d’oxygène respirable. Les données révèlent une étape de réaction intermédiaire qui n’avait pas été observée auparavant.
Les résultats, publiés aujourd’hui dans Naturefont la lumière sur la façon dont la nature a optimisé la photosynthèse et aident les scientifiques à développer des systèmes photosynthétiques artificiels qui imitent la photosynthèse pour récolter la lumière naturelle du soleil afin de convertir le dioxyde de carbone en hydrogène et en carburants à base de carbone.
« Plus nous en apprenons sur le fonctionnement de la nature, plus nous nous rapprochons de l’utilisation de ces mêmes principes dans les processus créés par l’homme, y compris des idées pour la photosynthèse artificielle en tant que source d’énergie propre et durable », a déclaré le co-auteur Jan Kern, scientifique à Laboratoire de Berkeley.
Le co-auteur Junko Yano, également au laboratoire de Berkeley, a déclaré : « Photosystem II nous donne le plan pour optimiser nos sources d’énergie propres et éviter les impasses et les produits secondaires dangereux qui endommagent le système. Ce que nous pensions autrefois n’était que de la science fondamentale. pourrait devenir une voie prometteuse pour améliorer nos technologies énergétiques. »
Embases chargées
Pendant la photosynthèse, le centre d’évolution de l’oxygène du Photosystem II – un groupe de quatre atomes de manganèse et d’un atome de calcium reliés par des atomes d’oxygène – facilite une série de réactions chimiques difficiles qui agissent pour séparer une molécule d’eau afin de libérer de l’oxygène moléculaire.
Le centre passe par quatre états d’oxydation stables, connus sous le nom de S0 par S3, lorsqu’il est exposé au soleil. Sur un terrain de baseball, S0 serait le début du jeu lorsqu’un joueur à domicile est prêt à aller au bâton. S1-S3 seraient des joueurs sur le premier, le deuxième et le troisième. Chaque fois qu’un frappeur touche une balle ou que le complexe absorbe un photon de lumière solaire, le joueur sur le terrain avance d’une base. Lorsque la quatrième balle est frappée, le joueur glisse vers la maison, marquant un point ou, dans le cas du Photosystem II, libérant une molécule d’oxygène respirable.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont sondé ce centre en excitant des échantillons de cyanobactéries avec de la lumière optique, puis en les sondant avec des impulsions de rayons X ultrarapides de LCLS et SACLA. Les données ont révélé la structure atomique de l’amas et le processus chimique qui l’entoure.
Un coup de circuit
En utilisant cette technique, les scientifiques ont imaginé pour la première fois la course folle vers la maison — l’état transitoire, ou S4, où deux atomes d’oxygène se lient et une molécule d’oxygène est libérée. Les données ont montré qu’il y a des étapes supplémentaires dans cette réaction qui n’avaient jamais été vues auparavant.
« D’autres experts ont fait valoir que c’est quelque chose qui ne pourrait jamais être capturé », a déclaré le co-auteur Uwe Bergmann, scientifique et professeur à l’Université du Wisconsin-Madison. « Cela va vraiment changer notre façon de penser à Photosystem II. Bien que nous ne puissions pas encore dire que nous avons un mécanisme unique basé sur les données, nous pouvons exclure certains modèles et idées que les gens ont proposés au cours des dernières décennies. C’est le plus proche n’importe qui est déjà arrivé à capturer cette étape finale et à montrer comment ce processus fonctionne avec des données structurelles réelles. »
La nouvelle étude est la dernière d’une série entreprise par l’équipe au cours de la dernière décennie. Des travaux antérieurs se sont concentrés sur l’observation des différentes étapes du cycle photosynthétique à la température à laquelle il se produit dans la nature.
« La majeure partie du processus qui produit de l’oxygène respirable se produit dans cette dernière étape », a déclaré le co-auteur Vittal Yachandra, scientifique au Berkeley Lab. « Mais il y a plusieurs choses qui se passent à différentes parties du photosystème II et elles doivent toutes se réunir à la fin pour que la réaction réussisse. Tout comme au baseball, des facteurs comme l’emplacement du ballon et la position des joueurs de base et des joueurs de champ affectent les mouvements qu’un joueur prend pour se rendre à la base, l’environnement protéique autour du centre catalytique influence la façon dont cette réaction se déroule. »
Des rayons X plus brillants pour un avenir meilleur
Sur la base de ces résultats, les chercheurs prévoient de mener des expériences conçues pour capturer de nombreux autres instantanés du processus.
« Il y a encore des choses qui se passent entre les deux que nous n’avons pas encore pu saisir », a déclaré Kern. « Il y a plus d’instantanés que nous voulons vraiment prendre, ce qui comblerait les lacunes restantes et raconterait toute l’histoire. »
Pour ce faire, ils doivent pousser encore plus loin la qualité de leurs données. Dans le passé, ces types de mesures se sont avérés difficiles car les signaux de rayons X des échantillons sont faibles et les taux auxquels les lasers à rayons X existants tels que LCLS et SACLA produisent des impulsions de rayons X sont trop faibles.
« Il a fallu pas mal d’efforts pour optimiser la configuration, nous n’avons donc pas pu collecter toutes les données dont nous avions besoin pour cette seule publication en une seule expérience », a déclaré le co-auteur et scientifique du SLAC, Roberto Alonso-Mori. « Ces résultats incluent en fait des données prises sur six ans. »
Lorsqu’une mise à niveau LCLS, appelée LCLS-II, sera mise en ligne plus tard cette année, le taux de répétition montera en flèche de 120 impulsions par seconde à un million par seconde.
« Grâce à ces mises à niveau, nous serons en mesure de collecter plusieurs jours de données en quelques heures seulement », a déclaré Bergmann. « Nous pourrons également utiliser les rayons X mous pour mieux comprendre les changements chimiques qui se produisent dans le système. Ces nouvelles capacités continueront à faire avancer cette recherche et à apporter un nouvel éclairage sur la photosynthèse. »
