Guillaume Rolland
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 réaction photosynthétique. Là, les cellules convertissent l’énergie en électrons, qui finissent par alimenter la creation de 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 offre une explication potentielle de la façon dont les protéines du complexe de collecte de lumière, également appelée antenne, atteignent cette efficacité élevée. Pour la première fois, les chercheurs ont pu mesurer le transfert d’énergie entre les protéines collectrices de 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, vous avez besoin d’une transduction d’énergie à longue distance. Notre principale découverte est que l’organisation désordonnée des protéines collectrices de lumière améliore l’efficacité de cette transduction d’énergie à longue distance”, explique Gabriela Schlau-Cohen, une professeur agrégé de chimie au MIT et auteur principal de la nouvelle étude.
Les put up-doctorants du MIT Dihao Wang et Dvir Harris et l’ancienne étudiante diplômée du MIT Olivia Fiebig PhD ’22 sont les principaux auteurs de l’article, qui paraîtra dans les Actes de l’Académie nationale des sciences. Jianshu Cao, professeur de chimie au MIT, est également l’auteur de l’article.
Captage d’énergie
Pour cette étude, l’équipe du MIT s’est concentrée sur les bactéries violettes, que l’on trouve souvent dans des environnements aquatiques pauvres en oxygène et qui sont couramment utilisées comme modèle pour les études de collecte de lumière photosynthétique.
Au sein de ces cellules, les photons capturés voyagent à travers des complexes collecteurs de lumière constitués de protéines et de pigments absorbant la lumière tels que la chlorophylle. En utilisant la spectroscopie ultrarapide, une system 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 remark l’énergie se déplace dans une seule de ces protéines. Cependant, étudier remark l’énergie se déplace entre ces protéines s’est avéré beaucoup additionally difficile auto cela nécessite de positionner plusieurs protéines de manière contrôlée.
Pour créer une configuration expérimentale où ils pourraient mesurer remark l’énergie se déplace entre deux protéines, l’équipe du MIT a conçu des membranes synthétiques à l’échelle nanométrique avec une composition similaire à celles 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 intégré deux variations de la principale protéine collectrice de lumière trouvée dans les bactéries violettes, connue sous le nom de LH2 et LH3, dans leurs nanodisques. LH2 est la protéine présente dans des circumstances de lumière normales et LH3 est une variante qui n’est généralement exprimée que dans des circumstances de faible luminosité.
À l’aide du microscope cryo-électronique de l’installation MIT.nano, les chercheurs ont pu imager leurs protéines intégrées à 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.
Désordonné c’est mieux
Parce que LH2 et LH3 absorbent des longueurs d’onde légèrement différentes de la lumière, il est probable d’utiliser la spectroscopie ultrarapide pour observer le transfert d’énergie entre eux. Pour les protéines étroitement espacées, les chercheurs ont découvert qu’il faut environ 6 picosecondes pour qu’un photon d’énergie se déplace entre elles. Pour les protéines as well as éloignées, le transfert prend jusqu’à 15 picosecondes.
Un déplacement furthermore rapide se traduit par un transfert d’énergie additionally efficace, vehicle additionally le trajet est prolonged, plus d’énergie est perdue pendant le transfert.
“Lorsqu’un photon est absorbé, il ne reste que peu de temps avant que l’énergie ne soit perdue par des processus indésirables tels que la désintégration non radiative, donc moreover il peut être converti rapidement, as well as il sera efficace”, explique Schlau-Cohen.
Les chercheurs ont également découvert que les protéines disposées dans une composition en treillis présentaient un transfert d’énergie moins efficace que les protéines disposées dans des constructions organisées de manière aléatoire, comme elles le sont généralement dans les cellules vivantes.
“L’organisation ordonnée est en fait moins efficace que l’organisation 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 peuvent avoir évolué pour prendre en tirer parti », déclare Schlau-Cohen.
Maintenant qu’ils ont établi la capacité de mesurer le transfert d’énergie inter-protéine, les chercheurs envisagent 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 d’antenne trouvées dans des organismes autres que les bactéries violettes, comme les plantes vertes.
La recherche a été financée principalement par le Département américain de l’énergie.
