Les scientifiques imaginent l’atome au moment où il se photosynthétise

La photosynthèse – le processus par lequel les plantes et certains autres organismes convertissent la lumière du soleil en nourriture – est complexe et les scientifiques ne comprennent pas entièrement comment cela fonctionne. Mais une équipe de chercheurs dirigée par le SLAC National Accelerator Laboratory du Département américain de l’énergie estime qu’ils sont plus près de résoudre le mystère – ils ont capturé une image des atomes à l’intérieur des cyanobactéries subissant la photosynthèse au moment même où le minuscule organisme libérait de l’oxygène.

Les lasers à rayons X de la source de lumière cohérente Linac du SLAC à l’Université de Stanford et le laser à électrons libres SPring-8 Angstrom Compact (SACLA) dans une installation de rayonnement synchrotron du laboratoire japonais SPring-8 ont été dirigés vers une protéine spécifique utilisée pour catalyser le produit chimique réaction. Le complexe protéique, appelé Photosystem II, est utilisé par des organismes comme les cyanobactéries ou les algues pour la photosynthèse.

Le photosystème II porte une molécule composée de quatre atomes de manganèse (Mn) et d’un atome de calcium (Ca) reliés par des atomes d’oxygène, et sépare une molécule d’eau pour libérer de l’oxygène. L’équipe de recherche a réussi à imager les différentes étapes de la réaction et a découvert une étape jusque-là inconnue dans le processus.

“De nombreuses étapes de la réaction impliquent de très petits changements dans la position des atomes individuels et nous devons donc obtenir des images atomiques très claires du photosystème II à différents moments de la réaction”, a déclaré l’équipe. Le registre. Le zappage des cyanobactéries avec le laser et la mesure des schémas de diffraction du faisceau réfléchi permettent aux chercheurs de construire une image des positions de chacun des atomes impliqués dans la photosynthèse.

Des dizaines voire des centaines de milliers de ces instantanés sont nécessaires pour voir comment les atomes se déplacent au fil du temps. Leur capture est un processus fastidieux qui nécessite constamment de nouveaux échantillons de cyanobactéries, car chacune est détruite après avoir été exposée à la puissante impulsion de rayons X. Le dispositif expérimental destiné à faciliter la recherche a mis six ans à se construire, comme l’expliquent les auteurs dans une étude publiée par Nature mercredi.

“Le cycle de réaction dans Photosystem II implique quatre étapes principales, chacune déclenchée par l’absorption d’un photon. Dans chacune des étapes au site d’action dans Photosystem II, un groupe de quatre atomes de Mn et un atome de Ca agit comme une batterie qui devient de plus en plus chargé à chaque pas », nous ont-ils dit. Une fois que quatre photons ont été absorbés, le Photosystème II enlève les protons des molécules d’eau et les rapproche suffisamment pour qu’une nouvelle liaison chimique se forge entre les molécules d’oxygène pour produire du gaz.

“Dans cette dernière étape, au moins quatre événements différents se produisent et dans cette nouvelle étude, il a été possible de visualiser certains de ces événements pour la première fois”, ont-ils expliqué.

“D’autres experts ont fait valoir que c’est quelque chose qui ne pourrait jamais être capturé”, a ajouté Uwe Bergmann, professeur de science des rayons X ultrarapides à l’Université du Wisconsin-Madison et co-auteur de l’article. “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.”

Bien que les données donnent aux scientifiques une meilleure compréhension de la photosynthèse, le processus complet reste inconnu et fait l’objet d’un débat en cours. Cependant, l’effort de plusieurs décennies pour comprendre comment quelques ingrédients simples créent la nourriture que nous mangeons et l’air que nous respirons en vaut vraiment la peine. Les scientifiques pourraient potentiellement reproduire la réaction chimique pour créer de nouveaux carburants qui utilisent la lumière du soleil pour produire de l’énergie propre.

Les chercheurs restent engagés dans leurs recherches. “Il s’agit d’une capacité unique dans la nature. Nous concentrons nos recherches sur cette protéine en raison des implications passionnantes pour la production d’énergie propre et la durabilité, et parce que Photosystem II a produit essentiellement tout l’oxygène de notre atmosphère, permettant l’évolution de formes de vie complexes qui dépendent de la respiration d’oxygène. Il a fait cette réaction, qui a profondément façonné notre planète, pendant plus de trois milliards d’années. ®