Voici pourquoi la photosynthèse est si efficace: le désordre

Lorsque les cellules photosynthétiques absorbent la lumière du Soleil, des paquets d’énergie bondissent entre une série de protéines captatrices de lumière jusqu’à ce qu’ils atteignent le centre de réaction photosynthétique. C’est là que les cellules convertissent l’énergie en électrons, qui alimentent ensuite la production de molécules de sucre. Ce transfert d’énergie au sein du complexe collecteur de lumière se produit avec une très haute efficacité: presque chaque photon de lumière absorbé génère un électron, phénomène connu sous le nom de rendement quantique quasi unitaire.

Une nouvelle étude des chimistes du MIT offre une explication potentielle de l’efficacité élevée de ces protéines collectrices de lumière, également appelées antennes. Pour la première fois, les chercheurs ont pu mesurer le transfert d’énergie entre ces protéines, révélant que leur disposition désordonnée améliore l’efficacité de la transduction d’énergie.

« Pour que cette antenne fonctionne, il faut une transduction d’énergie à longue distance. Notre 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, professeure associée de chimieau MIT et auteure principale de la nouvelle étude.

Dans cette étude, l’équipe du MIT a concentré son attention sur les bactéries pourpres, souvent trouvées dans des environnements aquatiques pauvres en oxygène et fréquemment utilisées comme modèle pour les études de capture de lumière par photosynthèse.

Au sein de ces cellules, les photons capturés voyagent à travers des complexes collecteurs de lumière composés de protéines et de pigments absorbant la lumière, comme la chlorophylle. Grâce à la spectroscopie ultra-rapide, une technique qui utilise des impulsions laser extrêmement courtes pour étudier des événements se produisant sur des échelles de temps de la femtoseconde à la nanoseconde, les scientifiques ont pu étudier comment l’énergie se déplace à l’intérieur d’une seule de ces protéines. Cependant, l’étude du déplacement de l’énergie entre ces protéines s’est avérée beaucoup plus difficile, car elle nécessite de positionner plusieurs protéines de manière contrôlée Pour cette étude, les chercheurs ont intégré deux versions de la protéine principale de capture de lumière trouvée dans les bactéries pourpres, connues sous les noms de LH2 et LH3, dans leurs nanodisques. LH2 est la protéine présente dans des conditions de lumière normales, et LH3 est une variante généralement exprimée uniquement dans des conditions de faible éclairage.

Parce que LH2 et LH3 absorbent différentes longueurs d’onde de lumière, il est possible d’utiliser la spectroscopie ultra-rapide pour observer le transfert d’énergie entre elles. Pour des protéines rapprochées, les chercheurs ont constaté qu’il faut environ 6 picosecondes pour qu’un photon voyage entre elles. Pour des protéines plus éloignées, le transfert prend jusqu’à 15 picosecondes.

Le voyage plus rapide se traduit par un transfert d’énergie plus efficace, car plus le trajet est long, plus l’énergie est perdue lors du transfert.

Les chercheurs ont également constaté que les protéines disposées en structure de treillis montraient un transfert d’énergie moins efficace que les protéines disposées en structures organisées de manière aléatoire, comme elles le sont généralement dans les cellules vivantes.

« Maintenant que nous avons établi la possibilité de mesurer le transfert d’énergie entre les protéines, nous prévoyons d’explorer le transfert d’énergie entre d’autres protéines », déclare Gabriela Schlau-Cohen.