Découverte d’un « commutateur quantique » régulant la photosynthèse par des scientifiques

Patrick Lesggie

Une nouvelle étude a révélé un mécanisme de commutation quantique dans le complexe de capture de lumière II (LHCII), crucial pour une photosynthèse efficace. Cette découverte, réalisée grâce à des avancées en cryo-microscopie électronique et à des calculs théoriques, confirme le rôle dynamique du LHCII dans la régulation du transfert d’énergie chez les plantes. Crédit : SciTechDaily.com

La photosynthèse est un processus vital permettant aux plantes de transformer le dioxyde de carbone en composés organiques à l’aide de la lumière du soleil. Le complexe de capture de lumière II (LHCII) se compose de molécules de pigment attachées à des protéines. Il alterne entre deux rôles principaux : lorsqu’il est soumis à une lumière intense, il dissipe l’excès d’énergie sous forme de chaleur par extinction non photochimique, et sous une faible lumière, il transfère efficacement la lumière vers le centre de réaction.

Des recherches récentes en bio-ingénierie ont révélé que l’accélération de la commutation entre ces fonctions peut améliorer l’efficacité de la photosynthèse. Par exemple, les cultures de soja ont montré des augmentations de rendement atteignant 33%. Cependant, les changements structuraux précis au niveau atomique dans le LHCII qui déclenchent cette régulation étaient jusqu’à présent inconnus.

Mécanisme moléculaire de certains changements structurels induits par l'excès de lumière et de l'acidité dans un facteur structurel clé pour amener le trimer LHCII à changer entre des états de capture de lumière et d'extinction d'énergie

Mécanisme moléculaire des changements induits par l’excès de lumière et par l’acidité dans certains facteurs structurels clés nécessaires à la commutation du trimer LHCII entre les états de capture de lumière et de dissipation d’énergie. Crédit : Institut de physique

Approche de recherche innovante

Dans une nouvelle étude, les chercheurs dirigés par le professeur Weng Yuxiang de l’Institut de physique de l’Académie chinoise des sciences, associés au groupe du professeur Gao Jiali du Laboratoire de la baie de Shenzhen, ont combiné des études de cryo-microscopie électronique sur des particules individuelles de structures dynamiques de LHCII à une résolution atomique avec des calculs MSDFT d’états d’énergie entre les molécules de pigment photosynthétiques pour identifier la commutation quantique des pigments photosynthétiques pour le transfert intermoléculaire d’énergie.

Dans le cadre de leur travail, ils ont rapporté une série de six structures de cryo-EM, y compris l’état de transfert d’énergie avec LHCII en solution et l’état d’extinction d’énergie avec LHCII confiné latéralement dans des nanodisques membranaires sous des conditions neutres et acides.

La comparaison de ces différentes structures montre que LHCII subit un changement conformationnel lors de l’acidification. Ce changement modifie de manière allostérique la distance inter-pigment du locus d’extinction de fluorescence Lutein1 (Lut1)–Chlorophyll612 (Chl612) seulement lorsque LHCII est confiné dans des nanodisques membranaires, entraînant l’extinction de Chl612 excitée par Lut1. Ainsi, LHCII confiné avec une pression latérale (par exemple, LHCII agrégé) est une condition préalable à la dissipation non photochimique (NPQ), tandis que le changement conformationnel induit par l’acide renforce l’extinction de fluorescence.

Structures Cryo-EM pour LHCII dans des nanodisques et en solution détergente

Structures Cryo-EM pour LHCII dans des nanodisques et en solution détergente à pH 7,8 et 5,4. Crédit : Institut de physique

Mécanisme de commutation quantique dans la photosynthèse

Grâce à des calculs MSDFT de structures cryo-EM et de la structure cristalline connue dans des états éteints, associés à des expériences de fluorescence transitoire, un mécanisme de commutation quantique significatif de LHCII a été révélé avec la distance Lut1–Chl612 comme facteur clé.

Cette distance régule le canal quantique de transfert d’énergie en réponse à la pression latérale sur LHCII et au changement conformationnel, c’est-à-dire qu’un léger changement à sa distance critique de 5,6 Å permettrait une commutation réversible entre la capture de lumière et la dissipation d’énergie excessive. Ce mécanisme permet une réponse rapide aux changements d’intensité lumineuse, garantissant à la fois une grande efficacité dans la photosynthèse et une photoprotection équilibrée avec LHCII en tant que commutateur quantique.

Relation entre le taux de déclin de la fluorescence, la force de couplage électronique Lut1–Chl612 par rapport à la distance de séparation Lut1–Chl612 et tracé de la distance Lut1–Chl612 versus l'angle de croisement des hélices TM A et B dans différentes structures de LHCII

Relation entre le taux de déclin de la fluorescence, la force de couplage électronique Lut1–Chl612 par rapport à la distance de séparation Lut1–Chl612 et tracé de la distance Lut1–Chl612 versus l’angle de croisement des hélices TM A et B dans différentes structures de LHCII. Crédit : Institut de physique

Auparavant, ces deux groupes de recherche avaient collaboré sur des simulations de dynamique moléculaire et des expériences de spectroscopie infrarouge ultra-rapide et avaient proposé que le LHCII est une machine moléculaire régulée de manière allostérique. Leurs structures actuelles de cryo-EM expérimentales confirment les changements structuraux précédemment prédits théoriquement dans le LHCII

Référence : “Cryo-EM structures of LHCII in photo-active and photo-protecting states reveal allosteric regulation of light harvesting and excess energy dissipation” de Meixia Ruan, Hao Li, Ying Zhang, Ruoqi Zhao, Jun Zhang, Yingjie Wang, Jiali Gao, Zhuan Wang, Yumei Wang, Dapeng Sun, Wei Ding et Yuxiang Weng, 31 août 2023, Nature Plants.
DOI: 10.1038/s41477-023-01500-2

Cette recherche a été soutenue par des projets de l’Académie chinoise des sciences, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et la Commission d’innovation de la science et de la technologie de la ville de Shenzhen.