Le photosystème II est un complexe protéique des plantes, les algues et les cyanobactéries responsables de la division de l'eau et de la production de l'oxygène que nous respirons. Au cours des dernières années, une collaboration internationale entre des scientifiques du laboratoire national Lawrence Berkeley du ministère de l'Énergie, Le Laboratoire national des accélérateurs du SLAC et plusieurs autres institutions ont pu observer diverses étapes de ce cycle de fractionnement de l'eau à la température à laquelle il se produit dans la nature.

Maintenant, l'équipe a utilisé la même méthode pour se concentrer sur une étape clé dans laquelle une molécule d'eau se déplace pour relier les atomes de manganèse et de calcium dans le complexe catalytique qui divise l'eau pour produire de l'oxygène respirable. Ce qu'ils ont appris les rapproche un peu plus de l'obtention d'une image complète de ce processus naturel, qui pourrait informer la prochaine génération de systèmes photosynthétiques artificiels qui produisent de l'énergie propre et renouvelable à partir de la lumière du soleil et de l'eau. Leurs résultats ont été publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences aujourd'hui.

"Nous avons démontré qu'il est possible de faire ces mesures dans les itérations précédentes de ce travail, mais nous n'avons jamais eu la résolution spatiale ou suffisamment de points temporels pour vraiment explorer ces détails plus fins, " déclare le co-auteur Uwe Bergmann, un scientifique distingué du SLAC. "Après avoir soigneusement optimisé cette expérience pendant de nombreuses années, nous avons perfectionné notre capacité à effectuer des mesures d'une qualité suffisamment élevée pour voir ces minuscules changements pour la première fois."

La brigade des seaux

Lors de la photosynthèse, le complexe dégageant de l'oxygène, un amas de quatre atomes de manganèse et d'un atome de calcium reliés par des atomes d'oxygène, cycles à travers quatre états d'oxydation stables, connu comme S0 à S3, lorsqu'il est exposé au soleil.

Sur un terrain de baseball, S0 serait le début du jeu lorsqu'un joueur à domicile est prêt à aller au bâton. S1-S3 seraient les joueurs en premier, seconde, et troisième. Chaque fois qu'un frappeur touche une balle, ou le complexe absorbe un photon de lumière solaire, le joueur sur le terrain avance d'une base. Lorsque la quatrième balle est touchée, le joueur se glisse dans la maison, marquer un point ou, dans le cas du Photosystème II, libérant de l'oxygène respirable. Cette recherche a porté sur le passage du S2 au S3, le dernier état intermédiaire stable avant la production d'une molécule d'oxygène.

Le complexe dégageant de l'oxygène est entouré d'eau et de protéines. Dans l'étape que les scientifiques ont examinée, l'eau s'écoule par une voie dans le complexe, où une molécule d'eau forme finalement un pont entre un atome de manganèse et un atome de calcium. Cette molécule d'eau fournit probablement l'un des atomes d'oxygène dans la molécule d'oxygène produite à la fin du cycle.

En utilisant le laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC, les chercheurs ont découvert que les molécules d'eau sont transportées dans le complexe comme par une brigade de seaux :elles se déplacent en plusieurs petites étapes d'un bout à l'autre du chemin. Ils ont également montré que l'atome de calcium dans le complexe pourrait être impliqué dans la navette de l'eau.

"C'est comme un berceau de Newton, " dit Vittal Yachandra, l'un des auteurs de l'étude et scientifique senior au Berkeley Lab qui travaille sur Photosystem II depuis plus de 35 ans. "Habituellement, dans l'eau liquide, les choses bougent constamment, mais maintenant nous sommes dans cette situation fascinante où certaines des molécules d'eau autour de l'amas de manganèse changent de position, tandis que d'autres sont en fait toujours au même endroit. Vous pouvez répéter l'expérience 10, 000 fois et ils seront toujours assis au même endroit."

Travailler en binôme

Chez LCLS, l'équipe a zappé des échantillons de cyanobactéries avec des impulsions ultrarapides de rayons X pour collecter à la fois des données de cristallographie et de spectroscopie aux rayons X afin de cartographier la façon dont les électrons circulent dans le complexe à évolution d'oxygène du photosystème II. Grâce à cette technique, ils sont capables de cartographier simultanément sa structure et de découvrir des informations sur le processus chimique au niveau du cluster de manganèse.

Précédemment, les chercheurs avaient utilisé cette technique pour s'assurer que l'échantillon était intact et surtout, également dans le bon état chimique intermédiaire. Cet article marque la première fois que les chercheurs ont pu fusionner les deux ensembles d'informations pour voir les liens entre les changements structurels et chimiques. Cela a permis aux chercheurs de voir comment les étapes se déroulent en temps réel, et apprendre de nouvelles choses sur la réaction.

"C'est passionnant de voir la 'cause et l'effet' des changements induits par l'absorption de la lumière au fur et à mesure qu'ils se produisent, " dit Yachandra.

"Il est facile d'oublier à quel point l'environnement est critique et comment il permet ces processus vraiment compliqués, " dit Junko Yano, l'un des auteurs de l'étude et scientifique principal au Berkeley Lab. « La vie ne se déroule pas dans le vide ; tous les composants doivent travailler ensemble pour rendre la réaction possible. Ces résultats nous montrent comment les molécules de protéines et d'eau autour du cluster catalytique fonctionnent en tandem pour fabriquer de l'oxygène. Nos résultats vont lancer une nouvelle façon de penser et inspirer de nouveaux types de questions."

Prêt, ensemble, action!

Au-delà de la photosynthèse, Yano dit, cette technique peut être appliquée à d'autres systèmes enzymatiques pour réaliser des instantanés plus détaillés des réactions catalytiques.

"Il nous permet de connecter la biologie structurale et la chimie des systèmes pour comprendre et contrôler des réactions chimiques complexes, " elle dit.

Le but ultime du projet est de reconstituer un film atomique en utilisant de nombreux instantanés réalisés tout au long du processus, y compris l'état transitoire insaisissable à la fin qui lie deux atomes d'oxygène de deux molécules d'eau pour former la molécule d'oxygène.

"Notre rêve est de parcourir tout le cycle de réaction et d'obtenir suffisamment de points temporels et de détails pour que vous puissiez voir l'ensemble du processus se dérouler, du premier photon de lumière entrant à la première molécule d'oxygène respirable sortant, " dit le co-auteur Jan Kern, un scientifique du Berkeley Lab. "Nous avons construit le décor de ce film, établir notre technique et montrer ce qui est possible. Maintenant, les caméras tournent enfin et nous pouvons commencer à travailler sur le long métrage."