Le « piratage » de la photosynthèse pourrait conduire à de nouvelles façons de générer de l’énergie renouvelable

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Les chercheurs ont « piraté » les premières étapes de la photosynthèse, la machine naturelle qui alimente la grande majorité de la vie sur Terre, et ont découvert de nouvelles façons d’extraire l’énergie du processus, une découverte qui pourrait conduire à de nouvelles façons de générer du carburant propre et de l’énergie renouvelable. .

Une équipe internationale de physiciens, chimistes et biologistes, dirigée par l’Université de Cambridge, a pu étudier la photosynthèse – le processus par lequel les plantes, les algues et certaines bactéries convertissent la lumière du soleil en énergie – dans des cellules vivantes à une échelle de temps ultra-rapide : un millionième d’un millionième de seconde.

Bien qu’il s’agisse de l’un des processus les plus connus et les mieux étudiés sur Terre, les chercheurs ont découvert que la photosynthèse a encore des secrets à révéler. En utilisant des techniques spectroscopiques ultra-rapides pour étudier le mouvement de l’énergie, les chercheurs ont découvert que les produits chimiques capables d’extraire des électrons des structures moléculaires responsables de la photosynthèse le font aux stades initiaux, plutôt que beaucoup plus tard, comme on le pensait auparavant. Ce « recâblage » de la photosynthèse pourrait améliorer la façon dont elle gère l’excès d’énergie et créer de nouvelles façons plus efficaces d’utiliser sa puissance. Les résultats sont publiés dans la revue Nature.

« 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.

« 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 tout le 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 savions pas que cette voie existait est excitant, 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 car 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 ultra-rapide, qui a permis aux chercheurs de suivre le flux d’énergie dans les cellules photosynthétiques vivantes à une échelle 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.

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.

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