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La photosynthèse utilise les vibrations comme des « feux de signalisation »

by Juanita Bawagan juin 4 / 18

Photosynthesis

Des chercheurs ont découvert que les vibrations de certaines protéines contrôlent la transformation de la lumière du soleil en énergie utile.

Cette étude rehausse notre compréhension d’un mécanisme qui pourrait nous aider à concevoir de nouveaux matériaux pour l’exploitation de l’énergie solaire.

Les recherches ont été réalisées à l’Université Harvard dans le laboratoire d’Alàn Aspuru-Guzik, Boursier principal du CIFAR, par Doran Bennett, stagiaire postdoctoral du CIFAR et Samuel Blau et Christoph Kreisbeck, en collaboration avec Gregory Scholes (Université Princeton), Boursier principal de l’ICRA. Leurs résultats ont été publiés dans les Proceedings of the National Academy of Sciences le 27 mars.

Les plantes et les algues absorbent la lumière du soleil et transfèrent l’énergie à l’aide de protéines qui ont des pigments colorés. Un pigment énergisé par un photon peut transmettre cette énergie d’excitation à un autre pigment à proximité – comme dans une course à relais où on passe le bâton. En répétant ce processus, l’énergie du photon est transportée jusqu’à un centre de réaction où elle sert à produire de l’oxygène et à alimenter le processus de croissance de la plante.

Les scientifiques se demandent depuis longtemps comment les plantes font pour transporter l’énergie si rapidement et efficacement à travers les grandes collections de pigments qui entourent chaque centre de réaction.

Dans cette étude, les chercheurs se sont penchés sur une protéine photosynthétique qui s’appelle PC645. À l’aide de simulations informatiques et de données expérimentales, ils ont découvert que PC645 contrôle où s’en va l’énergie en ajustant les vibrations des pigments pour améliorer le transport d’énergie le long de certains trajets.

« Vous pouvez vous imaginer ces protéines en train d’utiliser les vibrations de différents pigments comme des feux de signalisation qui envoient de l’énergie d’excitation dans une direction ou l’autre », explique Bennett, qui était à Toronto pour la réunion du programme Énergie solaire bioinspirée du CIFAR.

Par exemple, quand un pigment « bleu » est excité, il pourrait transmettre l’énergie d’excitation à un certain nombre de pigments avoisinants qui ont des énergies similaires. En contrôlant les vibrations, les protéines peuvent indiquer au pigment « bleu » de transmettre l’énergie d’excitation à un pigment « rouge » spécifique, sautant ainsi par-dessus des pigments de couleurs intermédiaires.

« Ce qui est étrange quand on réalise les expériences, c’est que l’énergie d’excitation ne descend pas d’un barreau seulement sur l’échelle énergétique. Elle saute du plus haut barreau jusqu’au plus bas et ne touche jamais aux barreaux intermédiaires. On se demande alors, pourquoi? Et encore plus important, comment? », dit Bennett.

Auparavant, les chercheurs croyaient que seuls des effets quantiques comme l’intrication pouvaient expliquer ce phénomène. On croyait que la cohérence vibronique – l’intrication entre les électrons et le mouvement vibratoire – était nécessaire pour les sauts rapides entre des niveaux énergétiques très différents. Toutefois, ces nouvelles recherches suggèrent que ce qu’il faut ce n’est pas la cohérence vibronique, mais plutôt une large bande de vibrations qui comblent le fossé de la largeur de bande interdite entre les deux pigments. 

« Du point de vue des matériaux, ce type de mécanisme classique est plus utile, car il résiste à des niveaux raisonnables de désordre que les techniques synthétiques actuelles peuvent obtenir », dit Bennett.

Bennett et ses collègues réalisent d’autres recherches dans plusieurs axes, y compris la poursuite des études sur la façon dont les protéines photosynthétiques peuvent contrôler et améliorer le transport d’énergie nécessaire à une photosynthèse efficace. Ils souhaitent aussi utiliser ces principes de conception naturels pour contribuer à la mise au point de nouveaux matériaux pour l’exploitation de l’énergie solaire.   

« L’un des défis clés est de mettre au point de meilleurs outils », explique Bennett. « Pour réaliser cette simulation, il a fallu 10 millions d’heures de calcul informatique et plus de deux ans à des chercheurs pour étudier une protéine. À l’avenir, nous espérons accélérer le processus, en empruntant éventuellement des techniques du domaine de l’apprentissage automatique. »

L’article « Local protein solvation drives direct down-conversion in phycobiliprotein PC645 via incoherent vibronic transport » a été publié en ligne dans les Proceedings of the National Academy of Sciences le 27 mars 2018.