Pour la première fois, des chimistes du MIT ont mesuré le transfert d’énergie entre les protéines photosynthétiques récoltant la lumière, ce qui leur a permis de découvrir que l’arrangement désorganisé des protéines récoltant la lumière augmente l’efficacité de la transduction de l’énergie. Crédit : avec l’aimable autorisation des chercheurs
L’arrangement désorganisé des protéines dans les complexes de récolte de la lumière est la clé de leur extrême efficacité.
Des chercheurs du MIT ont découvert que la disposition désorganisée des protéines dans les complexes de récolte de la lumière améliore l’efficacité de leur transfert d’énergie, réfutant l’hypothèse selon laquelle les structures ordonnées sont plus efficaces. Cette découverte suggère que cet arrangement chaotique n’est peut-être pas accidentel, mais qu’il s’agit d’une évolution volontaire visant à maximiser l’efficacité.
Lorsque les cellules photosynthétiques absorbent la lumière du soleil, des paquets d’énergie appelés photons passent entre une série de protéines qui captent la lumière jusqu’à ce qu’ils atteignent le centre de réaction photosynthétique. Là, les cellules convertissent l’énergie en électrons, qui finissent par alimenter la production de molécules de sucre.
Ce transfert d’énergie à travers le complexe de capture de la 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 offre une explication potentielle de la manière dont les protéines du complexe de récolte de la lumière, également appelé antenne, atteignent cette efficacité élevée. Pour la première fois, les chercheurs ont pu mesurer le transfert d’énergie entre les protéines qui captent la lumière, ce qui leur a permis de découvrir que l’arrangement désorganisé de ces protéines augmente l’efficacité de la transduction d’énergie.
« Pour que cette antenne fonctionne, il faut une transduction d’énergie sur de longues distances. Notre principale découverte est que l’organisation désordonnée des protéines de récolte de la lumière améliore l’efficacité de cette transduction d’énergie à longue distance », explique Gabriela Schlau-Cohen, professeur agrégé de chimie au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.
Dihao Wang et Dvir Harris, postdocs au MIT, et Olivia Fiebig PhD ’22, ancienne étudiante diplômée du MIT, sont les auteurs principaux de l’article, qui paraît cette semaine dans les Proceedings of the National Academy of Sciences (Actes de l’Académie nationale des sciences). Jianshu Cao, professeur de chimie au MIT, est également l’un des auteurs de l’article.
Sommaire
Capture d’énergie
Pour cette étude, l’équipe du MIT s’est concentrée sur les bactéries pourpres, que l’on trouve souvent dans les milieux aquatiques pauvres en oxygène et qui sont couramment utilisées comme modèle pour les études sur la capture de la lumière par photosynthèse.
À l’intérieur de ces cellules, les photons capturés passent par des complexes de récolte de la lumière composés de protéines et de pigments absorbant la lumière tels que la chlorophylle. Grâce à la spectroscopie ultrarapide, une technique qui utilise des impulsions laser extrêmement courtes pour étudier des événements qui se produisent sur des échelles de temps allant de la femtoseconde à la nanoseconde, les scientifiques ont pu étudier la manière dont l’énergie se déplace à l’intérieur d’une seule de ces protéines. Toutefois, l’étude de la manière dont l’énergie se déplace entre ces protéines s’est avérée beaucoup plus difficile, car elle nécessite de positionner plusieurs protéines de manière contrôlée.
Pour créer un dispositif expérimental permettant de mesurer la façon dont l’énergie se déplace entre deux protéines, l’équipe du MIT a conçu des membranes synthétiques à l’échelle nanométrique dont la composition est 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.
Pour cette étude, les chercheurs ont incorporé dans leurs nanodisques deux versions de la principale protéine de récolte de la lumière que l’on trouve dans les bactéries pourpres, appelées LH2 et LH3. LH2 est la protéine présente dans des conditions de lumière normales, et LH3 est une variante qui n’est généralement exprimée que dans des conditions de faible luminosité.
En utilisant le microscope cryo-électronique de l’installation MIT.nano, les chercheurs ont pu obtenir des images de leurs protéines incorporées dans la membrane et montrer qu’elles étaient positionnées à des distances similaires à celles observées dans la membrane native. Ils ont également pu mesurer les distances entre les protéines collectrices de lumière, qui étaient de l’ordre de 2,5 à 3 nanomètres.
Le désordre, c’est mieux
Comme LH2 et LH3 absorbent des longueurs d’onde légèrement différentes, il est possible d’utiliser la spectroscopie ultrarapide pour observer le transfert d’énergie entre elles. Pour des protéines très proches les unes des autres, les chercheurs ont constaté qu’il faut environ 6 picosecondes pour qu’un photon d’énergie voyage entre elles. Pour les protéines plus éloignées, le transfert prend jusqu’à 15 picosecondes.
Un voyage plus rapide se traduit par un transfert d’énergie plus efficace, car plus le voyage est long, plus l’énergie est perdue pendant le transfert.
« Lorsqu’un photon est absorbé, il ne reste qu’un temps limité avant que l’énergie ne soit perdue par des processus indésirables tels que la désintégration non radiative, de sorte que plus la conversion est rapide, plus elle est efficace », explique M. Schlau-Cohen.
Les chercheurs ont également constaté 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.
« L’organisation ordonnée est en fait moins efficace que l’organisation désordonnée de la biologie, ce qui nous semble très intéressant car la biologie a tendance à être désordonnée. Cette découverte nous indique qu’il ne s’agit peut-être pas seulement d’un inconvénient inévitable de la biologie, mais que les organismes ont peut-être évolué pour en tirer parti », déclare Schlau-Cohen.
Maintenant qu’ils ont établi la capacité de mesurer le transfert d’énergie entre protéines, les chercheurs prévoient d’explorer le transfert d’énergie entre d’autres protéines, comme le transfert entre les protéines de l’antenne et les protéines du centre de réaction. Ils prévoient également d’étudier le transfert d’énergie entre les protéines de l’antenne présentes dans des organismes autres que les bactéries violettes, comme les plantes vertes.
Référence : « Elucidating interprotein energy transfer dynamics within the antenna network from purple bacteria » par Dihao Wang, Olivia C. Fiebig, Dvir Harris, Hila Toporik, Yi Ji, Chern Chuang, Muath Nairat, Ashley L. Tong, John I. Ogren, Stephanie M. Hart, Jianshu Cao, James N. Sturgis, Yuval Mazor et Gabriela S. Schlau-Cohen, 3 juillet 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2220477120
Cette recherche a été financée principalement par le ministère américain de l’énergie.