La photosynthèse sans brûlure
Trop de soleil peut gâcher une journée à la plage. Il peut aussi ruiner la photosynthèse, brûler les plantes et autres organismes qui dépendent de la capture de la lumière du soleil pour obtenir de l'énergie. Mais sous les vagues, les algues ont trouvé un bouclier astucieux. Des chercheurs de l'université métropolitaine d'Osaka et leurs collègues ont découvert qu'un pigment appelé siphonéine aide les algues vertes marines à maintenir la photosynthèse en marche, sans la brûler.
Sur le site L1, le pigment siphonéine (orange) se lie à un groupe de molécules de chlorophylle (Chl a 610- a 612, vert), ce qui permet une extinction efficace de l'énergie.
Osaka Metropolitan University
Les organismes photosynthétiques s'appuient sur de délicats complexes de récolte de la lumière (CRL) pour capter la lumière du soleil et en tirer de l'énergie. Au cours de la photosynthèse, la chlorophylle absorbe la lumière et entre dans un état excité singulet. Dans des conditions de luminosité normales, cette énergie est transférée efficacement au centre de réaction photosynthétique pour entraîner des réactions chimiques. Mais une lumière excessive peut pousser les molécules de chlorophylle dans un dangereux état "triplet", qui est une source d'espèces réactives de l'oxygène capables de causer des dommages oxydatifs.
"Les organismes utilisent les caroténoïdes pour dissiper rapidement l'énergie excédentaire, ou éteindre ces états triplet, par un processus appelé transfert d'énergie triplet-triplet (TTET)", explique Ritsuko Fujii, auteur principal et professeur associé à l'École supérieure des sciences et au Centre de recherche sur la photosynthèse artificielle de l'Université métropolitaine d'Osaka.
Jusqu'à présent, cependant, les règles régissant cette photoprotection restaient largement inconnues.
L'équipe de chercheurs a cherché une réponse chez Codium fragile, une algue verte marine. Comme les plantes terrestres, elle possède une antenne de capture de la lumière appelée LHCII, mais avec une particularité : elle contient des caroténoïdes inhabituels tels que la siphonéine et la siphonaxanthine, qui permettent à l'algue d'utiliser la lumière verte pour la photosynthèse.
"La clé du mécanisme d'extinction réside dans la rapidité et l'efficacité avec lesquelles les états triplets peuvent être désactivés", explique Alessandro Agostini, chercheur à l'université de Padoue, en Italie, et co-auteur principal de l'étude.
En utilisant la spectroscopie de résonance paramagnétique électronique (RPE), qui détecte directement les états excités triplets, l'équipe a comparé les épinards à Codium fragile. Dans les épinards, de faibles signaux d'états triplets de la chlorophylle sont restés détectables. En revanche, chez Codium fragile , ces états nocifs ont totalement disparu, ce qui prouve clairement que les caroténoïdes présents dans le système algal les éteignent complètement.
"Notre recherche a révélé que la structure des antennes des algues vertes photosynthétiques a une excellente fonction photoprotectrice", a déclaré M. Agostini.
En combinant la RPE avec des simulations de chimie quantique, l'équipe a identifié la siphonéine, située sur un site de liaison clé de LHCII, comme étant le principal moteur de cet effet protecteur remarquable. Leurs travaux ont également permis de clarifier les principes électroniques et structurels qui sous-tendent l'efficacité de la TTET, en montrant comment la structure électronique particulière de la siphonéine et sa position dans le complexe LHCII renforcent sa capacité à dissiper l'énergie excédentaire.
Les résultats démontrent que les algues marines ont développé des pigments uniques non seulement pour capter la lumière verte et bleue disponible sous l'eau, mais aussi pour améliorer leur résistance à la lumière excessive du soleil.
En plus de faire progresser notre compréhension de la photosynthèse, les résultats de l'étude ouvrent la voie au développement de technologies solaires bio-inspirées dotées de mécanismes de protection intégrés et de systèmes d'énergie renouvelable plus durables et plus efficaces.
"Nous espérons clarifier davantage les caractéristiques structurelles des caroténoïdes qui augmentent l'efficacité de l'extinction, pour permettre à terme la conception moléculaire de pigments qui optimisent les antennes photosynthétiques", a déclaré M. Fujii.
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