Quand les ingénieurs veulent accélérer quelque chose, ils recherchent les "points de pincement, " les étapes les plus lentes d'un système, et les rendre plus rapides.

Supposons que vous vouliez que plus d'eau s'écoule dans votre plomberie. Vous trouverez le tuyau le plus étroit et le remplacerez par un plus gros.

De nombreux laboratoires tentent cette méthode avec la photosynthèse, le processus que les plantes et les algues utilisent pour capter l'énergie solaire.

Toute notre nourriture et la plupart de nos carburants proviennent de la photosynthèse. Au fur et à mesure que notre population augmente, nous avons besoin de plus de nourriture et de carburant, exigeant que nous améliorions l'efficacité de la photosynthèse.

Mais, Le Dr Atsuko Kanazawa et le Kramer Lab constatent que pour les systèmes biologiques, la méthode du "point de pincement" peut potentiellement faire plus de mal que de bien, parce que les points de pincement sont là pour une raison. Alors comment faire ?

ATP synthase :une nanomachine biologique étonnante

Atsuko et ses collègues du Laboratoire de recherche sur les plantes MSU-DOE (PRL) travaillent sur ce problème depuis plus de 15 ans. Ils se sont concentrés sur une minuscule machine dans le chloroplaste appelée ATP synthase, un complexe de protéines essentielles au stockage de l'énergie solaire dans des "molécules à haute énergie" qui alimentent la vie sur Terre.

Cette même molécule d'ATP et une ATP synthase très similaire sont toutes deux utilisées par les animaux, y compris les humains, grandir, maintenir la santé, et bouger.

Chez les plantes, l'ATP synthase est l'un des processus les plus lents de la photosynthèse, limitant souvent la quantité d'énergie que les plantes peuvent stocker.

Montée en puissance de la production végétale

Pensa Atsuko, si l'ATP synthase est un point de pincement si important, que se passerait-il si c'était plus rapide ? Serait-ce mieux en photosynthèse et nous donnerait des plantes à croissance plus rapide ?

Il y a des années, elle a mis la main sur une plante mutante, appelé cfq, d'un collègue. "Il avait une ATP synthase qui fonctionnait sans arrêt, sans ralentir, ce qui était un exemple curieux à étudier. En réalité, dans des conditions de laboratoire contrôlées - lumière très douce et constante, Température, et les conditions de l'eau - cette plante mutante est devenue plus grosse que sa cousine sauvage."

Mais lorsque les chercheurs ont fait pousser la plante dans les conditions les plus variées qu'elle connaît dans la vie réelle, il a subi de graves dommages, presque mourant.

"Dans la nature, la qualité de la lumière et de la température changent tout le temps, que ce soit au fil des heures, ou la présence de couverture nuageuse ou de vents qui soufflent à travers les feuilles, " elle dit.

Les plantes ralentissent la photosynthèse pour une raison

Les innovations récentes du laboratoire Kramer permettent à Atusko et à ses collègues de sonder comment les conditions environnementales réelles affectent la croissance des plantes.

Les recherches d'Atsuko montrent maintenant que la lenteur de l'ATP synthase n'est pas un accident; c'est un mécanisme de freinage important qui empêche la photosynthèse de produire des produits chimiques nocifs, appelées espèces réactives de l'oxygène, qui peuvent endommager ou tuer la plante.

"Il s'avère que la lumière du soleil peut être dommageable pour les plantes, " dit Dave Kramer, Hannah Professeur distingué et chercheur principal au laboratoire Kramer.

"Lorsque les plantes ne peuvent pas utiliser l'énergie lumineuse qu'elles captent, la photosynthèse recule et les produits chimiques toxiques s'accumulent, potentiellement détruire des parties du système photosynthétique. Il est particulièrement dangereux lorsque la lumière et d'autres conditions, comme la température, changer rapidement."

L'ATP synthase détecte ces changements et ralentit la capture de la lumière pour éviter les dommages. Dans cette lumière, l'ATP rapide du mutant cfq est une mauvaise idée pour le bien-être de la plante.

"C'est comme si je promettais de faire rouler votre voiture plus vite en enlevant les freins. En fait, ça marcherait, mais seulement pour une courte période. Ensuite, les choses tournent mal." dit Dave.

"Afin d'améliorer la photosynthèse, ce dont nous avons besoin, c'est de ne pas retirer complètement les freins, comme dans cfq, mais pour mieux les contrôler, " Dit Dave. " Plus précisément, nous devons comprendre comment l'usine appuie sur les freins et l'ajuster pour qu'elle réponde plus rapidement et plus efficacement, " dit David.

Atsuko ajoute :« Les scientifiques essaient différentes méthodes pour améliorer la photosynthèse. En fin de compte, nous voulons tous nous attaquer à des problèmes à long terme. Surtout, nous devons continuer à nourrir la population de la Terre, qui explose en taille."

L'étude est publiée dans la revue Frontières en sciences végétales .