Des chercheurs aident à révéler un plan pour la photosynthèse

Les chercheurs de MSU ont aidé à révéler, avec une précision quasi atomique, la structure biologique d'une « antenne » utilisée par les cyanobactéries pour la photosynthèse. Connaître la position des différentes protéines et pigments (affichés dans différentes couleurs) aide les chercheurs à mieux comprendre ce processus naturel et peut inspirer de futures applications dans des domaines tels que les énergies renouvelables. Crédit :Domínguez-Martín et al, Nature (2022)

De nouvelles découvertes sur des microbes appelés cyanobactéries offrent de nouvelles opportunités pour la science végétale, la bio-ingénierie et la protection de l'environnement

Des chercheurs de l'Université de l'État du Michigan et des collègues de l'Université de Californie à Berkeley, de l'Université de Bohême du Sud et du Lawrence Berkeley National Laboratory ont contribué à révéler l'image la plus détaillée à ce jour des "antennes" biologiques importantes.

La nature a fait évoluer ces structures pour exploiter l'énergie du soleil grâce à la photosynthèse, mais ces récepteurs de lumière solaire n'appartiennent pas aux plantes. On les trouve dans des microbes connus sous le nom de cyanobactéries, les descendants évolutifs des premiers organismes sur Terre capables de prendre la lumière du soleil, l'eau et le dioxyde de carbone et de les transformer en sucres et en oxygène.

Publié le 31 août dans la revue Nature , les résultats jettent immédiatement un nouvel éclairage sur la photosynthèse microbienne, en particulier sur la manière dont l'énergie lumineuse est capturée et envoyée là où elle est nécessaire pour alimenter la conversion du dioxyde de carbone en sucres. À l'avenir, ces informations pourraient également aider les chercheurs à éliminer les bactéries nocives dans l'environnement, à développer des systèmes photosynthétiques artificiels pour les énergies renouvelables et à intégrer des microbes dans une fabrication durable qui commence par les matières premières que sont le dioxyde de carbone et la lumière du soleil.

"Il y a beaucoup d'intérêt à utiliser les cyanobactéries comme usines à énergie solaire qui captent la lumière du soleil et la convertissent en une sorte d'énergie qui peut être utilisée pour fabriquer des produits importants", a déclaré Cheryl Kerfeld, Hannah Distinguished Professor of structural bioengineering au College of Natural La science. "Avec un plan comme celui que nous avons fourni dans cette étude, vous pouvez commencer à penser à régler et à optimiser le composant de collecte de lumière de la photosynthèse."

"Une fois que vous voyez comment quelque chose fonctionne, vous avez une meilleure idée de la façon dont vous pouvez le modifier et le manipuler. C'est un gros avantage", a déclaré Markus Sutter, associé de recherche principal au Kerfeld Lab, qui opère à la MSU et au Berkeley Lab en Californie.

Les structures d'antenne des cyanobactéries, appelées phycobilisomes, sont des collections complexes de pigments et de protéines, qui s'assemblent en complexes relativement massifs.

Depuis des décennies, les chercheurs travaillent à visualiser les différents éléments constitutifs des phycobilisomes pour essayer de comprendre comment ils sont assemblés. Les phycobilisomes sont fragiles, nécessitant cette approche au coup par coup. Historiquement, les chercheurs n'ont pas été en mesure d'obtenir les images haute résolution d'antennes intactes nécessaires pour comprendre comment elles captent et conduisent l'énergie lumineuse.

Aujourd'hui, grâce à une équipe internationale d'experts et aux progrès d'une technique connue sous le nom de cryo-microscopie électronique, la structure d'une antenne de collecte de lumière cyanobactérienne est disponible avec une résolution quasi atomique. L'équipe comprenait des chercheurs de MSU, de Berkeley Lab, de l'Université de Californie à Berkeley et de l'Université de Bohême du Sud en République tchèque.

"Nous avons eu la chance d'être une équipe composée de personnes aux compétences complémentaires, des personnes qui travaillaient bien ensemble", a déclaré Kerfeld, qui est également membre du laboratoire de recherche sur les plantes MSU-DOE, qui est soutenu par le département américain de l'énergie. "Le groupe avait la bonne alchimie."

'Un long voyage plein de belles surprises'

Les chercheurs de MSU ont aidé à découvrir un niveau de détail inégalé dans les phycobilisomes, les assemblages verts et bleus de cette illustration. Ces structures fonctionnent comme des antennes que les cyanobactéries utilisent dans la photosynthèse. Les couleurs bleue et verte représentent différentes protéines et pigments dans le phycobilisome. Les OCP, les cintres orange occasionnels, aident à dissiper l'excès d'énergie capturée sous forme de chaleur. Crédit :Janet Iwasa/Université de l'Utah

"Ce travail est une percée dans le domaine de la photosynthèse", a déclaré Paul Sauer, chercheur postdoctoral au laboratoire de microscopie électronique cryogénique du professeur Eva Nogales au Berkeley Lab et à l'UC Berkeley.

"La structure complète de collecte de lumière de l'antenne d'une cyanobactérie manquait jusqu'à présent", a déclaré Sauer. "Notre découverte nous aide à comprendre comment l'évolution a trouvé des moyens de transformer le dioxyde de carbone et la lumière en oxygène et en sucre dans les bactéries, bien avant que des plantes n'existent sur notre planète."

Avec Kerfeld, Sauer est un auteur correspondant du nouvel article. L'équipe a documenté plusieurs résultats notables, notamment la découverte d'une nouvelle protéine de phycobilisome et l'observation de deux nouvelles façons dont le phycobilisome oriente ses bâtonnets capturant la lumière qui n'avaient pas été résolues auparavant.

"C'est 12 pages de découvertes", a déclaré María Agustina Domínguez-Martín de la Nature rapport. En tant que chercheur postdoctoral au Kerfeld Lab, Domínguez-Martín a lancé l'étude à MSU et l'a menée à son terme au Berkeley Lab. Elle est actuellement à l'Université de Cordoue en Espagne dans le cadre de la bourse postdoctorale Marie Skłowdoska-Curie. "Ce fut un long voyage plein de belles surprises."

Une surprise, par exemple, est venue de la façon dont une protéine relativement petite peut agir comme parasurtenseur pour l'antenne massive. Avant ces travaux, les chercheurs savaient que le phycobilisome pouvait contenir des molécules appelées protéines caroténoïdes orange, ou OCP, lorsque le phycobilisome avait absorbé trop de lumière solaire. Les OCP libèrent l'excès d'énergie sous forme de chaleur, protégeant ainsi le système photosynthétique d'une cyanobactérie de la combustion.

Jusqu'à présent, il y avait eu un débat sur le nombre d'OCP que le phycobilisome pouvait lier et où se trouvaient ces sites de liaison. La nouvelle recherche répond à ces questions fondamentales et offre des informations potentiellement pratiques.

Ce type de système de protection contre les surtensions - qui s'appelle photoprotection et a des analogues dans le monde végétal - a naturellement tendance à être un gaspillage. Les cyanobactéries sont lentes à désactiver leur photoprotection après avoir fait leur travail. Maintenant, avec une image complète du fonctionnement du parasurtenseur, les chercheurs peuvent concevoir des moyens de concevoir une photoprotection "intelligente" et moins coûteuse, a déclaré Kerfeld.

Et, bien qu'elles contribuent à rendre la planète habitable pour les humains et d'innombrables autres organismes qui ont besoin d'oxygène pour survivre, les cyanobactéries ont un côté sombre. Les proliférations de cyanobactéries dans les lacs, les étangs et les réservoirs peuvent produire des toxines mortelles pour les écosystèmes indigènes ainsi que pour les humains et leurs animaux de compagnie. Avoir un plan de la façon dont les bactéries non seulement collectent l'énergie du soleil, mais se protègent également d'une trop grande quantité pourrait inspirer de nouvelles idées pour s'attaquer aux proliférations nuisibles.

Au-delà des nouvelles réponses et des applications potentielles qu'offrent ces travaux, les chercheurs sont également enthousiasmés par les nouvelles questions qu'ils soulèvent et les recherches qu'ils pourraient inspirer.

"Si vous pensez à cela comme des Legos, vous pouvez continuer à vous accumuler, n'est-ce pas ? Les protéines et les pigments sont comme des blocs qui fabriquent le phycobilisome, mais cela fait alors partie du photosystème, qui se trouve dans la membrane cellulaire, qui fait partie de la cellule entière. ", a déclaré Sutter. "Nous gravissons les échelons d'une certaine manière. Nous avons trouvé quelque chose de nouveau sur notre échelon, mais nous ne pouvons pas dire que nous avons réglé le système."

"Nous avons répondu à certaines questions, mais nous avons ouvert les portes à d'autres et, pour moi, c'est ce qui en fait une percée", a déclaré Domínguez-Martín. "Je suis ravi de voir comment le domaine se développe à partir d'ici." + Explorer plus loin