Découvrez la machine secrète derrière la photosynthèse grâce à une révolutionnaire image 3D

Plant RNA Polymerase PEP

L’image montre un modèle 3D haute résolution de l’ARN polymérase PEP des plantes, qui joue un rôle central dans la photosynthèse. Crédit : Paula Favoretti Vital do Prado et Johannes Pauly / MPI-NAT, UMG

Des chercheurs de Hanovre et Göttingen ont créé avec succès des visualisations tridimensionnelles des machines de copie des chloroplastes.

Pour la survie de la vie sur Terre, le processus par lequel les plantes effectuent la photosynthèse pour générer de l’oxygène et de l’énergie chimique à l’aide de la lumière du soleil est crucial. Des scientifiques de Göttingen et de Hanovre ont réalisé une percée en créant une visualisation 3D haute résolution du mécanisme de copie des chloroplastes, l’ARN polymérase PEP, pour la première fois. Cette structure complexe offre de nouvelles perspectives sur le fonctionnement et l’histoire évolutive de cet appareil cellulaire vital, essentiel pour interpréter les plans génétiques des protéines impliquées dans la photosynthèse.

Sans photosynthèse, il n’y aurait pas d’air à respirer – c’est la base de toute vie sur Terre. Ce processus complexe permet aux plantes de convertir le dioxyde de carbone et l’eau en énergie chimique et en oxygène à l’aide de l’énergie lumineuse du soleil. La conversion a lieu dans les chloroplastes, le cœur de la photosynthèse. Les chloroplastes se sont développés au cours de l’évolution lorsque les ancêtres des cellules végétales actuelles ont absorbé une cyanobactérie photosynthétique. Au fil du temps, la bactérie est devenue de plus en plus dépendante de sa « cellule hôte », mais a conservé certaines fonctions importantes telles que la photosynthèse et certaines parties du génome bactérien. Le chloroplaste contient donc toujours son propre ADN, qui contient les plans des protéines cruciales de la « machinerie de photosynthèse ».

« Une machine de copie moléculaire unique, une ARN polymérase appelée PEP, lit les instructions génétiques du matériel génétique des chloroplastes », explique le Prof. Dr. Hauke Hillen, chef de groupe de recherche à l’Institut Max Planck (MPI) pour les sciences multidisciplinaires, professeur au Centre Médical Universitaire de Göttingen et membre de l’Excellence Cluster de Göttingen « Multiscale Bioimaging » (MBExC). Il est essentiel pour activer les gènes nécessaires à la photosynthèse, souligne Hillen. Sans un PEP fonctionnel, les plantes ne peuvent pas photosynthétiser et restent blanches au lieu de devenir vertes.

Non seulement le processus de copie est complexe, mais aussi la machine à copier elle-même : elle se compose d’un complexe de base multi-sous-unités, dont les parties protéiques sont codées dans le génome des chloroplastes, et d’au moins douze protéines associées, appelées PAP. Le génome nucléaire de la cellule végétale fournit les plans pour ceux-ci. « Jusqu’à présent, nous avons pu caractériser certaines parties individuelles de la machine de copie des chloroplastes sur le plan structurel et biochimique, mais nous manquions d’un aperçu précis de sa structure globale et des fonctions des PAP individuels », explique le Prof. Dr. Thomas Pfannschmidt, professeur à l’Institut de Botanique de l’Université Leibniz de Hanovre.

Instantané détaillé en 3D

Dans le cadre d’une collaboration étroite, les chercheurs dirigés par Hauke Hillen et Thomas Pfannschmidt ont réussi pour la première fois à visualiser un complexe PEP de 19 sous-unités en 3D avec une résolution de 3,5 angströms – 35 millions de fois plus petit qu’un millimètre.

« Nous avons isolé des PEP intacts à partir de la moutarde blanche, une plante modèle typique en recherche végétale », décrit Frederik Ahrens, membre de l’équipe de Pfannschmidt et l’un des premiers auteurs de l’étude maintenant publiée dans la revue Molecular Cell. En utilisant la cryo-microscopie électronique, les scientifiques ont ensuite créé un modèle 3D détaillé du complexe PEP à 19 parties. Pour ce faire, les échantillons ont été ultra-rapidement congelés par choc thermique. Les chercheurs ont ensuite photographié la machine à copier des milliers de fois et jusqu’au niveau atomique sous de nombreux angles, puis les ont combinés en une image globale à l’aide de calculs informatiques complexes.

« L’instantané structurel a montré que le noyau PEP est similaire à celui des autres ARN polymérases, comme dans les bactéries ou le noyau cellulaire des cellules supérieures. Cependant, il contient des caractéristiques spécifiques aux chloroplastes qui médiatisent les interactions avec les PAP. Ces derniers, nous ne les trouvons que chez les plantes et ils sont uniques dans leur structure », explique Paula Favoretti Vital do Prado, doctorante au MPI, membre du Collège Hertha Sponer du MBExC, et également première auteure de l’étude. Les scientifiques avaient déjà supposé que les PAP remplissaient des fonctions individuelles dans la lecture des gènes de la photosynthèse. « Comme nous avons pu le montrer, les protéines se disposent de manière particulière autour du noyau d’ARN polymérase. Sur la base de leur structure, il est probable que les PAP interagissent de différentes manières avec le complexe de base et participent au processus de lecture des gènes », ajoute Hillen.

Comprendre l’évolution de la photosynthèse

La collaboration de recherche a également utilisé des bases de données pour rechercher des indices évolutifs. Ils voulaient savoir si l’architecture observée de la machine à copier était similaire dans d’autres plantes. « Nos résultats indiquent que la structure du complexe PEP est la même chez toutes les plantes terrestres », explique Pfannschmidt. Les nouvelles découvertes sur le processus de copie de l’ADN des chloroplastes nous aident à mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de la biogenèse de la machinerie de photosynthèse. Elles pourraient également être précieuses pour des applications biotechnologiques à l’avenir.

Référence : « Structure of the multi-subunit chloroplast RNA polymerase » par Paula F.V. do Prado, Frederik M. Ahrens, Monique Liebers, Noah Ditz, Hans-Peter Braun, Thomas Pfannschmidt et Hauke S. Hillen, 29 février 2024, Molecular Cell.
DOI : 10.1016/j.molcel.2024.02.003

L’étude a été financée par la Fondation allemande pour la recherche (FOR2848, SFB1565, PF323-7 et SPP 2237 MadLand (PF323-9)) et dans le cadre de la Stratégie d’Excellence (EXC 2067/1 – 390729940) via le Cluster d’Excellence « Multiscale Bioimaging : From Molecular Machines to Networks of Excitable Cells » (MBExC) ainsi que par le Conseil Européen de la Recherche (ERC) dans le cadre du programme Horizon 2020 de l’UE avec la Bourse ERC Starting Grant MitoRNA (Accord de subvention n°101116869).