Pensez à un train descendant les voies jusqu'à un aiguillage où il pourrait aller soit à droite, soit à gauche, et il va toujours à droite.

Les organismes photosynthétiques ont un point de commutation similaire. Une fois la lumière du soleil absorbée, l'énergie se transfère rapidement à une protéine appelée centre de réaction. À partir de ce point, les électrons pourraient se déplacer soit vers un ensemble de molécules de branche A (ou "voie droite"), ou à un ensemble de molécules identiques à branche B ("voie gauche").

Une nouvelle recherche de l'Université de Washington à St. Louis et du Laboratoire national d'Argonne amène les électrons à suivre la voie qu'ils ne voyagent généralement pas, faisant ainsi progresser la compréhension des premiers événements de la photosynthèse provoqués par la lumière. Les résultats ont été publiés le 31 décembre dans le Actes de l'Académie nationale des sciences ( PNAS ).

« Dans le centre de réaction bactérienne, un électron va à la branche A des molécules 100% du temps. Nous l'avons fait aller aux molécules de la branche B 90% du temps, " a déclaré Christine Kirmaier, professeur-chercheur de chimie en Arts &Sciences.

"Après tout, si vous pensez comprendre le fonctionnement du train et des voies, pourquoi ne pourriez-vous pas faire aller le train à gauche plutôt qu'à droite ? C'est essentiellement ce que nous avons fait, " a déclaré Kirmaïer.

« Pourquoi deux pistes ont évolué est encore une question ouverte, mais la possibilité de contrôler quelle piste est utilisée est passionnante, " a déclaré Philip D. Laible, un biophysicien de la division des biosciences du Laboratoire national d'Argonne et un autre auteur principal de l'article.

"Nous aimerions faire de la commutation entre eux un phénomène mieux compris afin que nous puissions facilement conduire des électrons (pardonnez le jeu de mots) vers n'importe quelle destination dans un processus biologique, " dit-il. " En ce moment, nous contrôlons les caractéristiques qui permettent aux électrons de traverser une membrane biologique, la première étape pour produire de l'énergie à partir de la lumière du soleil dans cet organisme. »

Repenser un parcours

Les plantes, les algues et les bactéries photosynthétiques convertissent l'énergie de la lumière solaire en unités séparées par des charges qu'elles utilisent pour alimenter les processus de la vie sur Terre. Et ils le font d'une manière très spécifique :les centres de réaction de ces organismes présentent deux arrangements en forme d'image miroir de cofacteurs protéiques et pigmentaires, les côtés A et B. Une seule de ces chaînes est active, la face A, tandis que la face B est silencieuse.

Kirmaïer, avec le collaborateur Dewey Holten, professeur de chimie à l'Université de Washington, et l'équipe du Laboratoire national d'Argonne ont conçu de nombreuses itérations de mutants photosynthétiques dans le but d'obtenir une séparation de charge en utilisant plutôt la branche B. La nouvelle recherche réorganise une voie dans une bactérie photosynthétique violette, l'une des cellules solaires de la nature.

"En utilisant la biologie moléculaire, nous avons modifié les acides aminés autour des pigments pour essayer de trouver la combinaison magique pour faire fonctionner la branche B, " elle a dit.

Le jeu consistait à apporter des changements structurels qui se désaccordent, ou rendre moins optimal, les transferts d'électrons le long du côté A ou du chemin normal, puis, à la fois, accélérer les réactions le long du côté B.

Les chercheurs ont pu accélérer ce processus d'essais et d'erreurs en testant tous les acides aminés possibles sur un site cible spécifique du côté A ou B, trouver un ou plusieurs qui améliorent le rendement du côté B. Ils ont ensuite reporté ce "coup" dans l'arrière-plan du mutant pour sonder le prochain site cible, etc.

"C'était inattendu, " dit Kirmaier. " Nous avons choisi un site, et dans l'un de nos meilleurs milieux mutants, placé les 20 acides aminés là-bas, et l'un d'eux nous a donné un rendement de 90 %."

« Il s'agit d'une réalisation révolutionnaire et de quelque chose que [tout le monde] dans le domaine essaie activement de comprendre depuis des décennies – depuis que nous avons examiné les deux pistes pour la première fois dans une étude structurelle de haut niveau dans Nature il y a près de 35 ans, " a déclaré Deborah K. Hanson de la division des biosciences, Laboratoire National d'Argonne, un autre auteur principal de la PNAS papier.

Repenser l'histoire de la photosynthèse

Le nouveau travail éclaire les principes structure-fonction de base qui régissent l'efficacité, transfert d'électrons induit par la lumière.

Ces connaissances peuvent aider à la conception de systèmes biohybrides et bioinspirés pour la conversion et le stockage d'énergie, les chercheurs ont dit. Les résultats provoqueront également des expériences et des analyses supplémentaires.

« Les résultats soulèvent de nombreuses questions sur ce qui est nécessaire pour obtenir une séparation de charge unidirectionnelle, " a déclaré Holten.

Dans la nature, les bactéries violettes effectuent une séparation initiale des charges avec un processus en deux étapes qui se déroule en plusieurs billions de seconde. Mais la nouvelle solution de branche B de l'équipe obtient presque le même rendement, même s'il utilise un processus en une étape en tandem qui prend 5 à 10 fois plus de temps.

"Dans l'histoire originelle de la photosynthèse, peut-être qu'une telle combinaison d'un processus rapide en deux étapes et d'un processus plus lent en une étape a donné un rendement de 80 ou 90 %, et puis, heures supplémentaires, il a optimisé, " a déclaré Holten.