C’est en partie la raison pour laquelle des chercheurs du Laboratoire de recherche sur les plantes énergétiques du Département de l’énergie de l’Université de l’État du Michigan, ou PRL, étudient la manière dont les électrons se déplacent dans les nanocristaux de protéines. Ce faisant, ils ont découvert que les théories antérieures sur le sujet pourraient ne pas s’appliquer dans tous les cas. Leurs derniers travaux visant à concilier théorie et réalité ont donné lieu à une récente publication dans le Journal of Chemical Physics. .

L'histoire jusqu'à présent

En 2020, des chercheurs du laboratoire de Dave Kramer au PRL ont observé un flux d'électrons en pointant une source de lumière vers un cristal composé de protéines contenant de nombreuses molécules appelées hèmes. Les molécules d'hème effectuent un ensemble de processus biologiques importants, comme le transport de l'oxygène et des électrons.

Les chercheurs ont découvert que la vitesse à laquelle les électrons sautent d’un hème à un autre dépendait fortement de la température du cristal. Cet effet de température est très important car il peut indiquer comment les électrons effectuent leurs sauts. Doivent-ils franchir une grande barrière comme un sauteur à la perche, ou font-ils des sauts plus superficiels comme un sauteur en longueur ? Selon la théorie précédente, qui utilisait certaines hypothèses simplificatrices, cela n'aurait pas dû dépendre de la température.

"Nous avons obtenu un résultat très éloigné des théories simplifiées", a déclaré Jingcheng Huang, auteur de l'étude et chercheur postdoctoral au laboratoire Kramer.

"La théorie fonctionne dans la mesure où les constantes de vitesse sont du bon ordre de grandeur, sauf si vous commencez à changer la température", a poursuivi Josh Vermaas, professeur adjoint au PRL et auteur de l'étude.

Cette étrange dépendance à la température a donné lieu jusqu’à présent à deux articles tentant d’expliquer ces résultats. Le premier a été publié dans le Journal of the American Chemical Society en 2020. L'article le plus récent est publié dans le Journal of Chemical Physics .

Une correspondance partielle

Comme une personne traversant un ruisseau en sautant de roche en roche, les électrons voyagent à travers les cristaux en sautant d’hème en hème. Les chercheurs ont pu suivre où se trouvent les électrons dans le cristal en fonction de la couleur.

Les hèmes changent de couleur – du rouge au rose – et la propagation du changement de couleur permet aux chercheurs d'observer les électrons se déplacer dans le cristal. Ce qui a surpris les chercheurs, c'est que le changement de couleur était contrôlé de manière plus drastique par la température par rapport à ce qui était prédit par la théorie actuelle.

À l'aide de simulations informatiques connues sous le nom de dynamique moléculaire, avec l'aide de l'Institut MSU pour la recherche cybernétique, les chercheurs ont montré comment ce transfert d'énergie (le mouvement des électrons) se produit sur une courte période de temps.

"La simulation informatique confirme ce que nous avons observé expérimentalement, au moins plus près que la théorie simplifiée", a déclaré Huang. "La théorie et l'expérience correspondent partiellement, mais il y a encore certaines choses qui n'ont pas été incluses dans l'équation."

"Nous obtenons une réponse", a déclaré Vermaas. "Mais il se passe encore quelque chose de génial."

Pour cet article, les chercheurs du PRL se sont associés à William Parson, professeur de biochimie à la faculté de médecine de l'Université de Washington. Les travaux antérieurs de Parson ont contribué à jeter les bases de la recherche sur le PRL et ont invoqué la théorie de Rudolph Marcus, lauréate du prix Nobel, pour expliquer la rapidité avec laquelle les électrons peuvent sauter d'hème en hème.

"Dave savait que j'avais essayé de généraliser l'équation semi-classique de Marcus pour les réactions de transfert d'électrons et de trouver des moyens d'éviter ses hypothèses les plus gênantes", a expliqué Parson. " Ainsi, lorsque Jingcheng et Dave ont découvert que le transfert d'électrons dans les cristaux du petit cytochrome tétrahème était beaucoup plus lent que ce que prédisait l'équation de Marcus, Dave m'a demandé si j'avais des suggestions. Ce défi m'a empêché de dormir la nuit pendant plus de trois ans. "

Ce mystère reste encore à découvrir, en particulier pour les chercheurs qui travaillent à le connecter à l'énergie via le principal objectif de recherche du PRL :la photosynthèse.

"L'objectif initial de mon projet est d'essayer de rediriger l'énergie de l'appareil photosynthétique vers d'autres cibles, par exemple vers des enzymes capables de produire du biocarburant", a déclaré Huang.

"Ces types de cristaux ou potentiellement d'autres supports de transfert d'électrons similaires pourraient être utilisés pour alimenter ce genre de choses", a déclaré Vermaas. "Nous en sommes encore loin, mais c'est l'objectif global."