Des scientifiques ont développé l’un des microscopes les plus avancés au monde, permettant une observation plus nette des molécules impliquées dans la conversion du CO2 en sucre durant la photosynthèse.

La photosynthèse permet aux plantes et aux microorganismes photosynthétiques de convertir l’énergie lumineuse en molécules énergétiques, qui seront utilisées pour la conversion du CO2 en sucre. Cependant, le fonctionnement et la structure de certaines protéines impliquées dans ce mécanisme restent encore un mystère.

Un groupe du département de l’énergie du Laboratoire national Lawrence-Berkeley s’est intéressé à la NADH dehydrogenase-like complex (NDH), une molécule qui jouerait un rôle dans le remaniement des électrons excités par la lumière se déplaçant le long d’une chaîne de protéines dans les chloroplastes, afin d’assurer qu’un ratio équilibré des 2 molécules d’énergie (ATP et NADPH) soit produit.

Chez les cyanobactéries, la NDH aurait de multiples rôles, comme la liaison de l’absorption des molécules de CO2 capturées avec le transfert d’électrons, ce qui augmenterait le taux de CO2 disponible pour la synthèse du sucre.

Afin de mieux comprendre ce complexe, le groupe avait pour objectif d’élucider son fonctionnement en développant une méthode qui indiquerait sa localisation dans la cellule, ainsi que la connexion des atomes le composant.

L’usage de la cryo-microscopie électronique, qui permet l’étude structurale d’une molécule, pourrait prendre plusieurs années, car cette méthode se réalise grâce à des films, qu’il faudrait développer et numériser pour chaque exposition avant l’analyse.

Mais le principal inconvénient est que le faisceau d’électrons envoyé par le microscope excite les atomes de la molécule à étudier, en raison des particules hautement chargées en énergie. Les molécules se mettent alors à bouger, rendant les images floues. Le seul moyen d’obtenir leur représentation correcte serait de capturer des centaines, voire des milliers d’images.

« La recherche sur cette enzyme a été difficile et les résultats expérimentaux confondus depuis une vingtaine d’années, car nous manquions d’informations complètes sur la structure de l’enzyme », explique Karen Davies, biophysicien et principal chercheur du groupe. « Connaître la structure est important pour générer et tester des hypothèses sur le fonctionnement de l’enzyme. La résolution que nous avons obtenu pour notre structure du NDH n’est vraiment réalisable que depuis la commercialisation de la caméra à comptage direct d’électrons, développée en collaboration avec le Berkeley Lab ».

En effet, cette caméra de comptage d’électrons qu’ils ont élaboré contourne ces problèmes en prenant des séquences numériques avec une fréquence de capture extrêmement élevée, permettant d’éviter les flous par l’alignement de ces images individuelles prises rapidement.

Durant l’étude toujours en cours, les chercheurs ont isolé le complexe NDH provenant d’une cyanobactérie photosynthétique, et l’ont imagé par cryo-microscopie électronique, mais en l’équipant de leur détecteur à électrons direct.

NDH complexe structure

Structure du complexe NDH modélisé par le groupe. Les sphères représentent les atomes (et les couleurs les différentes sous-unités). Crédits : Thomas Laughlin/UC Berkeley and Berkeley Lab

La représentation de la densité des atomes obtenue permet au groupe de Davies de développer un modèle du complexe NDH avec toutes les sous-unités le composant ainsi que leur position. Ils pourront dès lors émettre et tester des hypothèses sur la manière dont le complexe facilite la production de sucre, en équilibrant le ratio d’ATP et NADPH.

« Si la structure de NDH à elle seule répond certainement à de nombreuses questions, je pense qu’elle en a soulevé plusieurs autres, que nous n’avions même pas pensé à prendre en compte auparavant », déclare Thomas Laughlin, principal auteur de l’étude. La compréhension de ce complexe pourrait également contribuer à la production de produits bio.

« Ces travaux permettront de mieux comprendre le fonctionnement de la photosynthèse, ce qui pourrait nous permettre d’améliorer son efficacité chez les plantes et d’autres organismes verts – augmentant potentiellement la quantité de nourriture, et donc de biomasse, qu’ils produisent », explique Davies. « Cela est particulièrement important si vous souhaitez produire des bioproduits renouvelables qui constituent une alternative rentable aux produits actuels à base de pétrole ».

Source : Nature

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