Un piratage innovant de la photosynthèse ouvre la voie à des percées dans le domaine des énergies renouvelables

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 révélant de nouvelles techniques pour extraire l’énergie de ce processus, les découvertes pourraient ouvrir la voie à la production de carburant propre et à des solutions d’énergie renouvelable à l’avenir. Crédit : Robin Horton

Les chercheurs ont « piraté » les premières étapes de[{ » 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.

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 de spectroscopie ultrarapide, 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 façons plus efficaces d’exploiter son potentiel. Crédit : Mary Ayers

« Nous n’en savions pas autant sur la photosynthèse que nous le pensions, et la nouvelle voie de transfert d’électrons que nous avons découverte ici est assez surprenante », a déclaré le Dr.

Bien que la photosynthèse soit un processus naturel, les scientifiques ont également étudié comment elle pourrait être utilisée pour aider à lutter contre la crise climatique, en simulant des 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 pouvait « voler » des électrons de la photosynthèse. Les alcénones sont de nature courante et peuvent facilement accepter et abandonner 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 le processus de photosynthèse dans les cellules vivantes sur une échelle de temps ultra-rapide d’un millionième de millionième de seconde. Malgré des recherches approfondies, la photosynthèse détient encore des secrets non découverts. En utilisant des techniques de spectroscopie ultrarapide, 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 » peut améliorer la gestion de l’excès de puissance par le processus et générer de nouvelles façons efficaces d’exploiter sa puissance. 1 crédit

« Personne n’avait correctement étudié comment cette molécule interagit avec les mécanismes de la photosynthèse à un stade aussi précoce de la photosynthèse : nous pensions utiliser 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 nous avons un peu ouvert la boîte noire de la photosynthèse. »

En utilisant la spectroscopie ultrarapide pour surveiller 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 infiltration peut aider les plantes à se protéger contre les dommages causés par une lumière vive ou changeant rapidement.

« La physique de la photosynthèse est incroyablement impressionnante », a déclaré le co-premier auteur Tomi Baikie, du laboratoire Cavendish de Cambridge. « Normalement, nous travaillons avec des matériaux d’ordre supérieur, mais l’observation du transport de charge à travers les cellules ouvre de merveilleuses opportunités pour de nouvelles découvertes sur le fonctionnement de la nature. »

a déclaré le co-premier auteur, le Dr Laura Way, qui a effectué le travail au Département de biochimie, maintenant basé à l’Université de Turku, en Finlande. « Le fait que nous ne connaissions pas l’existence de cette voie est passionnant, car nous pouvons l’exploiter pour extraire plus d’énergie des énergies renouvelables. »

Selon les chercheurs, être capable d’extraire la cargaison au début du processus de photosynthèse pourrait rendre le processus plus efficace lors de la manipulation des voies photosynthétiques pour générer du carburant propre à partir du soleil. De plus, la capacité de réguler la photosynthèse peut signifier que les cultures pourraient mieux résister à la lumière intense du soleil.

« De nombreux scientifiques ont essayé d’extraire des électrons d’un point antérieur de la photosynthèse, mais ils ont dit que ce n’était pas possible car l’énergie est enfouie dans l’échafaudage protéique », a déclaré Zhang. « Le fait que nous ayons pu le voler lors d’une opération précédente est incroyable. Au début, nous pensions avoir 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, soit un millième de billionième de seconde.

« L’utilisation de ces méthodes ultra-rapides 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 une échelle de temps picoseconde » par Tommy K. Paiki, Laura TY, Joshua M. Lawrence, Heights Medipaly, Erwin Reisner, Mark M. Nowaczyk, Richard H. Friend, Christopher J. Howe, Christophe Schneiderman, Akshay Rao et Jenny Zhang, 22 mars 2023, disponible ici. 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) et fait partie de UK Research and Innovation (UKRI), ainsi que du Winton Program for Sustainability Physics at l’Université. Cambridge, Commonwealth de Cambridge, Fonds européen et international et programme de recherche et d’innovation de l’UE Horizon 2020. Jenny Zhang est boursière David Phillips du département de chimie et boursière du Corpus Christi College de Cambridge. Tomi Baikie est boursière NanoFutures au laboratoire Cavendish. Laura Way est boursière postdoctorale à la Novo Nordisk Foundation, Université de Turku.