Des chercheurs de l'Université de Washington à St. Louis ont tracé les chemins de trois canaux d'eau dans un ancien organisme photosynthétique pour fournir le premier étude expérimentale de la façon dont cet organisme utilise et régule l'eau pour créer de l'énergie.

La photosynthèse est la conversion chimique de la lumière solaire en énergie chimique via une chaîne de transport d'électrons essentielle à presque toute vie sur notre planète. Toutes les plantes fonctionnent par photosynthèse, tout comme les algues et certaines variétés de bactéries.

Himadri B. Pakrasi, Myron et Sonya Glassberg/Albert et Blanche Greensfelder University Professeur distingué et directeur, Centre international de l'énergie, Environnement et durabilité, chercheur post-doctoral Daniel A. Weisz, et Michael L. Gross, professeur de chimie, a étudié l'arrière-grand-père de tous les organismes photosynthétiques - une souche de cyanobactéries - pour développer la première carte expérimentale du monde aquatique de cet organisme.

La découverte fait progresser la recherche sur la photosynthèse, mais présente également une avancée dans la recherche sur les carburants verts :

Pour convertir la lumière du soleil en une forme d'énergie utilisable, les organismes photosynthétiques ont besoin d'eau au "site actif" du complexe protéique du photosystème II. Mais les canaux par lesquels l'eau arrive au site actif sont difficiles à mesurer expérimentalement. Des espèces réactives de l'oxygène sont produites sur le site actif et s'en éloignent, dans la direction opposée à celle de l'eau, laissant une « traînée de dégâts » dans leur sillage.

"Nous avons identifié les sites endommagés dans le Photosystème II à l'aide de la spectrométrie de masse à haute résolution et avons constaté qu'ils révèlent plusieurs voies centrées sur le site actif et s'en éloignant jusqu'à la surface du complexe, " dit Weisz, auteur principal de l'article paru dans le numéro du 17 novembre de Avancées scientifiques . "Nous proposons que ces voies représentent des canaux au sein du complexe qui pourraient être utilisés pour acheminer de l'eau vers le site actif."

"Le photosystème II a un mécanisme très complexe, et il est vraiment important de comprendre ses processus et son évolution, " dit Pakrasi, qui a fait des recherches approfondies sur les cyanobactéries pendant plus de 25 ans. "Il y a un intérêt croissant pour l'énergie verte, et notre connaissance du comportement de cette enzyme pourrait un jour être utilisée pour créer un système artificiel qui imite la vraie enzyme pour produire une quantité abondante d'énergie durable. »

Le site actif du Photosystème II est un amas de manganèse, des ions calcium et oxygène enfouis profondément dans le complexe, loin du milieu aqueux de la cellule. Les chercheurs ont longtemps spéculé que le site actif, ou amas de manganèse, doit avoir un système de canaux, et théorique, les modèles générés par des superordinateurs ont prédit leur existence de manière ténue. Mais le mouvement de l'eau est difficile à caractériser expérimentalement.

Les chercheurs ont emprunté un chemin détourné pour délimiter les canaux. La « traînée de dommages » est composée de 36 résidus d'acides aminés provenant essentiellement de trois protéines trouvées près du cluster de manganèse par le spectromètre de masse hautement sophistiqué du chimiste Gross, qui était co-directeur de doctorat de Weisz avec Pakrasi et est également nommé à la Washington University School of Medicine pour ses travaux en spectrométrie de masse. Ces espèces réactives de l'oxygène nuisibles, aussi appelés radicaux, émaner et se disperser du cluster vers l'extérieur vers le milieu aqueux de la cellule. Les radicaux traversent le Photosystème II comme une tornade, attaquant et endommageant les composants d'acides aminés les plus proches du photosystème II qu'ils rencontrent sur leur chemin.

Parce que les radicaux et l'eau ont des propriétés similaires, telles que la taille et l'hydrophilie, les chercheurs proposent que les chemins des traces de dommages sortant du cluster sont très similaires aux chemins que l'eau emprunte vers l'intérieur vers le site actif.

"Nous observons directement les chemins que prennent les radicaux, pas ceux de l'eau, " a déclaré Weisz. " Mais étant donné les propriétés similaires des radicaux à l'eau ainsi que les résultats de modélisation informatique précédents, nous pensons que ces voies sont les mêmes que celles que l'eau emprunte vers l'intérieur."

Une telle approche pour découvrir les canaux d'eau est considérée comme un proxy car elle est basée sur le mouvement des radicaux hautement réactifs et non sur l'eau elle-même.

Le mandataire, Weisz a dit, "c'est comme laisser une traînée de miettes de pain le long d'un chemin dans la forêt. Si quelqu'un est capable de trouver les miettes de pain, ils peuvent retracer le chemin emprunté hors de la forêt."

Les chercheurs ont pu identifier les nombreux résidus endommagés en raison de l'incroyable précision, vitesse et sensibilité de l'instrument de spectrométrie de masse de Gross. "Avec les instruments antérieurs qui étaient plus lents et moins sensibles, il était plus difficile d'identifier avec confiance un grand nombre de sites endommagés, " a déclaré Weisz. " Les puissantes capacités de cet instrument nous ont permis d'obtenir ces résultats. "

"Les cyanobactéries sont les progéniteurs des chloroplastes dans les plantes, " Pakrasi a déclaré. " Le photosystème II est conservé dans tous les organismes photosynthétiques oxygénés. Nous savons avec certitude que la nature n'a conçu cette machine qu'une seule fois, puis l'a transféré des cyanobactéries aux algues et aux plantes."