En utilisant des techniques de diffusion de neutrons non destructives, les scientifiques examinent comment des organismes unicellulaires appelés cyanobactéries produisent de l'oxygène et obtiennent de l'énergie grâce à la photosynthèse.

Des collaborateurs de l'Université de Washington à St. Louis et du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) mènent une série d'expériences pour étudier le comportement des phycobilisomes (grands complexes de protéines d'antenne dans les cellules de cyanobactéries) à l'aide du Bio-SANS. instrument, ligne de lumière CG-3, au réacteur à isotope à haut flux (HFIR) du laboratoire. Les phycobilisomes récoltent la lumière pour initier la photosynthèse, et une meilleure compréhension de ce processus pourrait aider les chercheurs à concevoir des panneaux solaires plus efficaces et d'autres structures artificielles qui imitent les systèmes naturels.

Les neutrons peuvent analyser ces structures délicates sans les endommager ni les tuer et avec plus de précision spatiale que d'autres techniques comme la microscopie.

"Avec Bio-SANS, nous pouvons réellement voir ce qui se passe à l'échelle nanométrique en temps réel dans une cellule vivante, " a déclaré Hugh O'Neill, chercheur de l'ORNL.

Les phycobilisomes se fixent aux membranes cellulaires où se déroulent les réactions photo-dépendantes de la photosynthèse. Changer les complexes d'antennes des phycobilisomes peut avoir des conséquences dramatiques et de grande envergure chez les cyanobactéries.

"Nous sommes intéressés à modifier ces systèmes d'antennes et à observer les changements structurels qui en résultent, ", a déclaré Michelle Liberton de l'Université de Washington.

Lors de visites précédentes à l'ORNL, l'équipe a modifié artificiellement les phycobilisomes en supprimant certains gènes dans les cellules. Ces modifications ont causé des défauts structurels dans les membranes cellulaires et d'autres changements drastiques dans la physiologie cellulaire.

Maintenant, ils modifient naturellement les complexes d'antennes en privant les cyanobactéries d'azote, un nutriment essentiel à leurs fonctions de base. Ce processus d'épuisement entraîne une diminution de la taille de l'antenne, ce qui à son tour conduit à des réarrangements cellulaires importants et à des modifications dans les couches membranaires.

Cette chaîne d'événements se produit parce que les cellules décomposent les phycobilisomes et les utilisent comme source alternative d'azote pour survivre.

"Le complexe d'antennes du phycobilisome est une énorme réserve de micronutriments dans les cellules, " expliqua Liberton. " Quand le complexe se dégrade, les cellules ont accès à des matériaux qu'elles ne peuvent plus obtenir de l'environnement."

En déterminant l'ampleur de ces changements, l'équipe espère mieux comprendre la relation structure-fonction entre l'organisation cellulaire et la modification naturelle. Ces processus peuvent être immédiatement inversés en restituant l'azote aux cellules.

Les chercheurs prévoient de comparer ces résultats à ceux enregistrés à partir de leurs études génétiques pour explorer les différences entre les modifications artificielles et naturelles et leurs effets sur la constitution intracellulaire des cyanobactéries.

Ces résultats soutiennent le Photosynthetic Antenna Research Center (PARC), un centre de recherche Energy Frontier financé par le DOE et basé à l'Université de Washington depuis 2009. Le centre rassemble un réseau international d'experts du monde universitaire et des installations de recherche, dont l'ORNL, étudier les systèmes d'antennes et leur rôle dans la photosynthèse.

« Au niveau fondamental, cette recherche est liée à la façon dont les systèmes naturels efficaces utilisent la lumière solaire, " a déclaré Volker Urban, scientifique de l'instrument Bio-SANS et collaborateur du PARC.

De telles connaissances sont inestimables pour les contributeurs du PARC qui espèrent améliorer la technologie durable inspirée du monde naturel.