Un groupe de scientifiques de l'Université de Chicago a découvert que certaines bactéries utilisent délibérément les règles de la mécanique quantique pour protéger leur équipement photosynthétique des dommages causés par l'oxygène. Crédit :Greg Engel
Les organismes photosynthétiques récoltent la lumière du soleil pour produire l'énergie dont ils ont besoin pour survivre. Un nouvel article publié par des chercheurs de l'Université de Chicago révèle leur secret :exploiter la mécanique quantique.
« Avant cette étude, la communauté scientifique a vu des signatures quantiques générées dans les systèmes biologiques et a posé la question, ces résultats n'étaient-ils qu'une conséquence de la construction de la biologie à partir de molécules, ou avaient-ils un but ?", a déclaré Greg Engel, Professeur de chimie et auteur principal de l'étude. "C'est la première fois que nous voyons la biologie exploiter activement les effets quantiques."
Les scientifiques ont étudié un type de micro-organisme appelé bactérie soufrée verte. Ces bactéries ont besoin de lumière pour survivre, mais même de petites quantités d'oxygène peuvent endommager leur équipement photosynthétique délicat. Ils doivent donc développer des moyens de minimiser les dommages lorsque la bactérie rencontre de l'oxygène.
Pour étudier ce processus, les chercheurs ont suivi le mouvement de l'énergie à travers une protéine photosynthétique dans différentes conditions - avec de l'oxygène autour, Et sans.
Ils ont découvert que la bactérie utilise un effet de mécanique quantique appelé mélange vibronique pour déplacer l'énergie entre deux voies différentes, selon qu'il y a ou non de l'oxygène autour. Le mélange vibronique implique des caractéristiques vibrationnelles et électroniques dans les molécules se couplant les unes aux autres. En substance, les vibrations se mélangent si complètement avec les états électroniques que leurs identités deviennent inséparables. Cette bactérie utilise ce phénomène pour guider l'énergie là où elle en a besoin.
Jake Higgins, étudiant diplômé de l'Université de Chicago et premier auteur de l'étude, à côté du laser où les données ont été prises. Crédit :Lawson Lloyd, Université de Chicago
S'il n'y a pas d'oxygène et que la bactérie est en sécurité, la bactérie utilise le mélange vibronique en faisant correspondre la différence d'énergie entre deux états électroniques dans un assemblage de molécules et de protéines appelé le complexe FMO, avec l'énergie de la vibration d'une molécule de bactériochlorophylle. Cela encourage l'énergie à circuler à travers la voie «normale» vers le centre de réaction photosynthétique, qui regorge de chlorophylle.
Mais s'il y a de l'oxygène autour, l'organisme a évolué pour diriger l'énergie à travers un chemin moins direct où elle peut être éteinte. (Éteindre l'énergie est similaire à mettre une paume sur une corde de guitare vibrante pour dissiper l'énergie.) De cette façon, la bactérie perd un peu d'énergie mais économise tout le système.
Pour obtenir cet effet, une paire de résidus cystéine dans le complexe photosynthétique agit comme un déclencheur :ils réagissent chacun avec l'oxygène de l'environnement en perdant un proton, ce qui perturbe le mélange vibronique. Cela signifie que l'énergie se déplace désormais préférentiellement par la voie alternative, où il peut être éteint en toute sécurité. Ce principe revient un peu à bloquer deux voies sur une autoroute et à détourner une partie du trafic vers les routes locales où il y a beaucoup plus de sorties.
"Ce qui est intéressant à propos de ce résultat, c'est que nous voyons la protéine activer et désactiver le couplage vibronique en réponse aux changements environnementaux dans la cellule, " a déclaré Jake Higgins, un étudiant diplômé du Département de chimie et l'auteur principal de l'article. "La protéine utilise l'effet quantique pour protéger l'organisme des dommages oxydatifs."
Les scientifiques de l'Université de Chicago, Jake Higgins et Lawson Lloyd, règlent le laser dans le laboratoire de Greg Engel. Crédit :Siddhartha Sohoni
Ces découvertes apportent une nouvelle révélation passionnante sur la biologie; l'utilisation d'un mécanisme explicitement quantique pour protéger le système montre une adaptation importante et que les effets quantiques peuvent être importants pour la survie.
Ce phénomène n'est probablement pas limité aux bactéries vertes de soufre, disaient les scientifiques. Comme Higgins l'a expliqué, "La simplicité du mécanisme suggère qu'il pourrait être trouvé dans d'autres organismes photosynthétiques à travers le paysage évolutif. Si plus d'organismes sont capables de moduler dynamiquement les couplages de mécanique quantique dans leurs molécules pour produire des changements plus importants dans la physiologie, il pourrait y avoir un tout nouvel ensemble d'effets sélectionnés par la nature que nous ne connaissons pas encore."
