Dans un développement révolutionnaire, les chercheurs ont réussi à “pirater” les étapes initiales de la photosynthèse – le processus naturel qui alimente la majorité de la vie sur Terre. En découvrant de nouvelles techniques pour extraire l’énergie de ce processus, les découvertes pourraient potentiellement ouvrir la voie à la génération de carburants propres et de solutions d’énergie renouvelable à l’avenir. Crédit : Robin Horton
Les chercheurs ont “piraté” les premières étapes de
” data-gt-translate-attributes=”[{” attribute=””>photosynthesis, the natural machine that powers the vast majority of life on Earth, and discovered new ways to extract energy from the process, a finding that could lead to new ways of generating clean fuel and renewable energy.
“We didn’t know as much about photosynthesis as we thought we did, and the new electron transfer pathway we found here is completely surprising.” — Dr. Jenny Zhang
An international team of physicists, chemists and biologists, led by the University of Cambridge, was able to study photosynthesis – the process by which plants, algae, and some bacteria convert sunlight into energy – in live cells at an ultrafast timescale: a millionth of a millionth of a second.
Despite the fact that it is one of the most well-known and well-studied processes on Earth, the researchers found that photosynthesis still has secrets to tell. Using ultrafast spectroscopic techniques to study the movement of energy, the researchers found the chemicals that can extract electrons from the molecular structures responsible for photosynthesis do so at the initial stages, rather than much later, as was previously thought. This ‘rewiring’ of photosynthesis could improve how it deals with excess energy, and create new and more efficient ways of using its power. The results were reported on March 22 in the journal Nature.
Bien que la photosynthèse soit un processus largement connu et largement étudié, des chercheurs de l’Université de Cambridge ont découvert qu’elle recèle encore des secrets cachés. En utilisant des techniques spectroscopiques ultrarapides, ils ont découvert que l’extraction d’électrons des structures moléculaires responsables de la photosynthèse se produit à des stades plus précoces qu’on ne le supposait auparavant. Ce « recâblage » de la photosynthèse pourrait conduire à une meilleure gestion de l’excès d’énergie et au développement de nouvelles méthodes plus efficaces pour exploiter son potentiel. Crédits : Mairi Eyres
“Nous n’en savions pas autant sur la photosynthèse que nous le pensions, et la nouvelle voie de transfert d’électrons que nous avons trouvée ici est complètement surprenante”, a déclaré le Dr Jenny Zhang du département de chimie Yusuf Hamied de Cambridge, qui a coordonné la recherche.
Bien que la photosynthèse soit un processus naturel, les scientifiques ont également étudié comment elle pourrait être utilisée pour aider à faire face à la crise climatique, en imitant les processus photosynthétiques pour générer des carburants propres à partir de la lumière du soleil et de l’eau, par exemple.
Zhang et ses collègues essayaient à l’origine de comprendre pourquoi une molécule en forme d’anneau appelée quinone est capable de “voler” des électrons de la photosynthèse. Les quinones sont de nature courante et peuvent facilement accepter et céder des électrons. Les chercheurs ont utilisé une technique appelée spectroscopie d’absorption transitoire ultrarapide pour étudier le comportement des quinones dans les cyanobactéries photosynthétiques.
Une équipe internationale de scientifiques a étudié la photosynthèse dans des cellules vivantes à une échelle de temps ultrarapide d’un millionième de millionième de seconde. Malgré des recherches approfondies, la photosynthèse recèle encore des secrets non découverts. En utilisant des techniques spectroscopiques ultrarapides, l’équipe a découvert que les produits chimiques extraient les électrons des structures moléculaires impliquées dans la photosynthèse à des stades beaucoup plus précoces qu’on ne le pensait auparavant. Ce « recâblage » pourrait améliorer la gestion de l’excès d’énergie par le processus et générer de nouvelles méthodes efficaces pour exploiter sa puissance. 1 crédit
“Personne n’avait correctement étudié comment cette molécule interagit avec les mécanismes photosynthétiques à un stade aussi précoce de la photosynthèse : nous pensions que nous utilisions simplement une nouvelle technique pour confirmer ce que nous savions déjà”, a déclaré Zhang. “Au lieu de cela, nous avons trouvé une toute nouvelle voie et ouvert un peu plus loin la boîte noire de la photosynthèse.”
En utilisant la spectroscopie ultra-rapide pour observer les électrons, les chercheurs ont découvert que l’échafaudage protéique où se produisent les réactions chimiques initiales de la photosynthèse est «fuyant», permettant aux électrons de s’échapper. Cette fuite pourrait aider les plantes à se protéger contre les dommages causés par une lumière vive ou changeant rapidement.
“La physique de la photosynthèse est vraiment impressionnante”, a déclaré le co-premier auteur Tomi Baikie, du laboratoire Cavendish de Cambridge. “Normalement, nous travaillons sur des matériaux hautement ordonnés, mais l’observation du transport de charge à travers les cellules ouvre des opportunités remarquables pour de nouvelles découvertes sur le fonctionnement de la nature. ”
“Étant donné que les électrons de la photosynthèse sont dispersés dans l’ensemble du système, cela signifie que nous pouvons y accéder”, a déclaré la co-première auteure, le Dr Laura Wey, qui a effectué le travail au Département de biochimie et est maintenant basée à l’Université de Turku, Finlande. “Le fait que nous ne connaissions pas l’existence de cette voie est passionnant, car nous pourrions être en mesure de l’exploiter pour extraire plus d’énergie pour les énergies renouvelables.”
Les chercheurs affirment que le fait de pouvoir extraire des charges à un stade précoce du processus de photosynthèse pourrait rendre le processus plus efficace lors de la manipulation des voies photosynthétiques pour générer des carburants propres à partir du Soleil. De plus, la capacité de réguler la photosynthèse pourrait signifier que les cultures pourraient être rendues plus aptes à tolérer une lumière solaire intense.
“De nombreux scientifiques ont essayé d’extraire des électrons d’un point antérieur de la photosynthèse, mais ont déclaré que ce n’était pas possible parce que l’énergie est tellement enfouie dans l’échafaudage protéique”, a déclaré Zhang. « Le fait que nous puissions les voler lors d’un processus antérieur est époustouflant. Au début, nous pensions que nous avions fait une erreur : il nous a fallu du temps pour nous convaincre que nous l’avions fait.
La clé de la découverte était l’utilisation de la spectroscopie ultrarapide, qui a permis aux chercheurs de suivre le flux d’énergie dans les cellules photosynthétiques vivantes à l’échelle de la femtoseconde – un millième de billionième de seconde.
“L’utilisation de ces méthodes ultrarapides nous a permis de mieux comprendre les premiers événements de la photosynthèse, dont dépend la vie sur Terre”, a déclaré le co-auteur, le professeur Christopher Howe du Département de biochimie.
Référence : « Photosynthèse recâblée sur l’échelle de temps pico-seconde » par Tomi K. Baikie, Laura T. Wey, Joshua M. Lawrence, Hitesh Medipally, Erwin Reisner, Marc M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe , Christoph Schnedermann, Akshay Rao et Jenny Z. Zhang, 22 mars 2023, Nature.
DOI : 10.1038/s41586-023-05763-9
La recherche a été soutenue en partie par le Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC), le Biotechnology and Biological Sciences Research Council (BBSRC) qui fait partie de UK Research and Innovation (UKRI), ainsi que le Winton Program for the Physics of Sustainability at University. de Cambridge, le Cambridge Commonwealth, European & International Trust et le programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne. Jenny Zhang est boursière David Phillips du département de chimie Yusuf Hamied et boursière du Corpus Christi College de Cambridge. Tomi Baikie est boursière NanoFutures au laboratoire Cavendish. Laura Wey est boursière postdoctorale de la Fondation Novo Nordisk à l’Université de Turku.
