En utilisant le laser à rayons X du SLAC, les chercheurs ont capturé le film atomique haute résolution le plus complet à ce jour de Photosystem II, un complexe protéique clé des plantes, les algues et les cyanobactéries responsables de la division de l'eau et de la production de l'oxygène que nous respirons. Crédit :Gregory Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Malgré son rôle dans le façonnement de la vie telle que nous la connaissons, de nombreux aspects de la photosynthèse restent un mystère. Une collaboration internationale entre les scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory, Le Laboratoire national Lawrence Berkeley et plusieurs autres institutions s'efforcent de changer cela. Les chercheurs ont utilisé le laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC pour capturer l'image la plus complète et la plus haute résolution à ce jour du photosystème II, un complexe protéique clé des plantes, les algues et les cyanobactéries responsables de la division de l'eau et de la production de l'oxygène que nous respirons. Les résultats ont été publiés dans La nature aujourd'hui.
Explosion de vie
Lorsque la Terre s'est formée il y a environ 4,5 milliards d'années, le paysage de la planète n'avait presque rien de ce qu'il est aujourd'hui. Junko Yano, l'un des auteurs de l'étude et chercheur principal au Lawrence Berkeley National Laboratory, le décrit comme « infernal ». Des météores ont grésillé dans une atmosphère riche en dioxyde de carbone et des volcans ont inondé la surface de mers magmatiques.
Au cours des 2,5 milliards d'années à venir, la vapeur d'eau accumulée dans l'air a commencé à pleuvoir et à former des océans où la toute première vie est apparue sous la forme d'organismes unicellulaires. Mais ce n'est que lorsque l'une de ces taches de vie a muté et a développé la capacité d'exploiter la lumière du soleil et de la transformer en énergie, libérant des molécules d'oxygène de l'eau dans le processus, que la Terre a commencé à évoluer pour devenir la planète qu'elle est aujourd'hui. Ce processus, photosynthèse oxygénée, est considéré comme l'un des joyaux de la couronne de la nature et est resté relativement inchangé au cours des plus de 2 milliards d'années depuis son apparition.
"Cette réaction nous a rendus tels que nous sommes, comme le monde. Molécule par molécule, la planète s'est lentement enrichie jusqu'à ce que, il y a environ 540 millions d'années, il a explosé de vie, " a déclaré le co-auteur Uwe Bergmann, un scientifique distingué du SLAC. « Quand il est question de savoir d'où nous venons, c'est l'un des plus gros."
Un avenir plus vert
Le photosystème II est le bourreau de travail responsable de l'utilisation de la lumière du soleil pour décomposer l'eau en ses composants atomiques, libérer de l'hydrogène et de l'oxygène. Jusque récemment, il n'avait été possible de mesurer des morceaux de ce processus qu'à des températures extrêmement basses. Dans un article précédent, les chercheurs ont utilisé une nouvelle méthode pour observer deux étapes de ce cycle de division de l'eau à la température à laquelle il se produit dans la nature.
L'équipe a maintenant imagé les quatre états intermédiaires du processus à température naturelle et avec le niveau de détail le plus fin à ce jour. Ils ont également capturé, pour la première fois, moments de transition entre deux des états, en leur donnant une séquence de six images du processus.
Le but du projet, a déclaré le co-auteur Jan Kern, un scientifique au Berkeley Lab, est de reconstituer un film atomique en utilisant de nombreuses images de l'ensemble du processus, y compris l'état transitoire insaisissable à la fin qui lie les atomes d'oxygène de deux molécules d'eau pour produire des molécules d'oxygène.
"L'étude de ce système nous donne l'opportunité de voir comment les métaux et les protéines fonctionnent ensemble et comment la lumière contrôle ce genre de réactions, " dit Vittal Yachandra, l'un des auteurs de l'étude et un scientifique principal du Lawrence Berkeley National Laboratory qui travaille sur Photosystem II depuis plus de 35 ans. « En plus d'ouvrir une fenêtre sur le passé, une meilleure compréhension du Photosystème II pourrait ouvrir la porte à un avenir plus vert, nous fournissant l'inspiration pour les systèmes photosynthétiques artificiels qui produisent de l'énergie propre et renouvelable à partir de la lumière du soleil et de l'eau."
Dans le photosystème II, le centre de séparation de l'eau passe par quatre états stables, S0-S3. Sur un terrain de baseball, S0 serait le début du match lorsqu'un frappeur à domicile est prêt à frapper. S1-S3 seraient les joueurs qui attendent en premier, seconde, et troisième. Le centre passe à l'état suivant chaque fois qu'il absorbe un photon de la lumière du soleil, tout comme un joueur sur le terrain avance d'une base à chaque fois qu'un frappeur se connecte avec une balle. Lorsque la quatrième balle est touchée, le joueur se glisse dans la maison, marquer un point ou, dans le cas du Photosystème II, libérant l'oxygène que nous respirons. Crédit :Gregory Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Exemple de chaîne de montage
Pour leurs expériences, les chercheurs cultivent ce que Kern a décrit comme une « neige épaisse et verte » de cyanobactéries – les mêmes organismes anciens qui ont développé pour la première fois la capacité de photosynthèse – dans une grande cuve constamment éclairée. Ils récoltent ensuite les cellules pour leurs échantillons.
Chez LCLS, les échantillons sont zappés 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 de dégagement d'oxygène du photosystème II. En cristallographie, les chercheurs utilisent la façon dont un échantillon de cristal diffuse les rayons X pour cartographier sa structure; en spectroscopie, ils excitent les atomes d'un matériau pour découvrir des informations sur sa chimie. Cette approche, combiné à un nouveau système de transport d'échantillons sur chaîne de montage, a permis aux chercheurs de préciser les mécanismes proposés par la communauté des chercheurs au fil des ans.
Cartographier le processus
Précédemment, les chercheurs ont pu déterminer la structure à température ambiante de deux des états à une résolution de 2,25 angströms; un angström correspond à peu près au diamètre d'un atome d'hydrogène. Cela leur a permis de voir la position des atomes de métaux lourds, mais a laissé quelques questions sur les positions exactes des atomes plus légers, comme l'oxygène. Dans ce document, ils ont pu encore améliorer la résolution, à 2 angströms, ce qui leur a permis de commencer à voir plus clairement la position des atomes plus légers, ainsi que de dessiner une carte plus détaillée de la structure chimique du centre catalytique métallique dans le complexe où l'eau est divisée.
Ce centre, appelé complexe de dégagement d'oxygène, est un amas de quatre atomes de manganèse et d'un atome de calcium pontés par des atomes d'oxygène. Il parcourt les quatre états d'oxydation stables, S0-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.
Le complexe d'oxydation de l'eau dans le photosystème II dans le dernier état stable avant que l'oxydation de l'eau ne se produise. Crédit :Jan Kern, Laboratoire national Lawrence Berkeley
Les chercheurs ont pu prendre des photos d'action de la façon dont la structure du complexe s'est transformée à chaque base, ce qui n'aurait pas été possible sans leur technique. Un deuxième ensemble de données leur a permis de cartographier la position exacte du système dans chaque image, confirmant qu'ils avaient bien imagé les États qu'ils visaient.
Glisser dans la maison
Mais il se passe beaucoup d'autres choses tout au long de ce processus, ainsi que les moments entre les états lorsque le joueur fait une pause pour la prochaine base, qui sont un peu plus difficiles à attraper. L'un des aspects les plus importants de cet article, Yano a dit, est qu'ils ont pu imager deux moments entre S2 et S3. Dans les expériences à venir, les chercheurs espèrent utiliser la même technique pour imager davantage de ces états intermédiaires, y compris la course folle pour la maison - l'état transitoire, ou S4, où deux atomes d'oxygène se lient ensemble, fournissant des informations sur la chimie de la réaction qui est vitale pour imiter ce processus dans les systèmes artificiels.
"Le cycle complet prend près de deux millisecondes pour se terminer, " a déclaré Kern. " Notre rêve est de capturer des pas de 50 microsecondes tout au long du cycle, chacun d'eux avec la plus haute résolution possible, pour créer ce film atomique de l'ensemble du processus."
Bien qu'ils aient encore du chemin à parcourir, les chercheurs ont déclaré que ces résultats offrent une voie à suivre, à la fois en dévoilant les mystères du fonctionnement de la photosynthèse, et en offrant un modèle pour les sources artificielles d'énergie renouvelable.
"Ça a été un processus d'apprentissage, " a déclaré Roberto Alonso-Mori, scientifique et co-auteur du SLAC. " Au cours des sept dernières années, nous avons travaillé avec nos collaborateurs pour réinventer des aspects clés de nos techniques. Nous avons lentement rogné sur cette question et ces résultats sont un grand pas en avant."
