La biologie de la photosynthèse constitue le fondement de presque toute la vie sur Terre[s]. Les plantes, les algues et les cyanobactéries captent l’énergie solaire et la convertissent en énergie chimique en produisant des glucides à partir d’eau et de dioxyde de carbone, tout en libérant de l’oxygène moléculaire dans l’atmosphère[s]. Cette étape de collecte de la lumière atteint une efficacité quantique supérieure à 90 % pour le transfert d’énergie dans des conditions optimales[s], tandis que les réactions chimiques en aval imposent des limites d’efficacité plus strictes.
Comment fonctionne la biologie de la photosynthèse
La photosynthèse se déroule en deux étapes interconnectées : les réactions lumineuses et le cycle de Calvin. Lors des réactions lumineuses, des complexes protéiques spécialisés dans les membranes des thylakoïdes captent les photons et utilisent cette énergie pour scinder les molécules d’eau, libérant de l’oxygène comme sous-produit. Le cycle de Calvin utilise ensuite l’énergie chimique produite pour convertir le dioxyde de carbone en sucres.
Les réactions photochimiques ont lieu dans les membranes des thylakoïdes, situées à l’intérieur des chloroplastes chez les plantes et les algues, et sous forme de membranes spécialisées chez les cyanobactéries. Ces réactions sont assurées par le fonctionnement séquentiel du photosystème II (PSII), du complexe cytochrome b6f, du photosystème I (PSI) et de l’ATP synthase[s]. Chaque composant joue un rôle spécifique dans la capture de l’énergie lumineuse et sa conversion en liaisons chimiques.
La biologie de la photosynthèse et la photolyse de l’eau
Le PSII est le centre catalytique du processus photosynthétique qui déclenche la réaction de photolyse de l’eau[s]. Cette machine moléculaire remarquable extrait les électrons de l’eau, libère de l’oxygène et génère les protons et électrons ensuite utilisés pour la production d’ATP et la réduction du NADP+ en NADPH.
Le cycle d’oxydation de l’eau nécessite l’absorption de quatre photons par les pigments du PSII, chacun initiant une séparation de charge qui conduit finalement à la libération d’oxygène[s]. Cette exigence de quatre photons explique pourquoi la biologie de la photosynthèse repose sur une machinerie moléculaire si précise : chaque étape doit s’achever avant que la suivante ne commence.
Un transfert d’énergie quasi parfait
Les complexes antennaires collecteurs de lumière entourent les centres réactionnels, captant les photons sur une gamme de longueurs d’onde et canalisant cette énergie vers l’intérieur. Les photoexcitations délocalisées créées dans ces complexes pigment-protéine persistent pendant des centaines de picosecondes, se diffusant sur des dizaines de nanomètres pour être récoltées avec une efficacité quantique proche de l’unité[s].
Contre toute attente, le désordre structural peut renforcer les couplages vibroniques qui favorisent le transfert d’énergie. Des recherches sur les nanotubes de porphyrine montrent que le désordre est l’ingrédient clé qui améliore considérablement les couplages vibroniques intrabandes dans toute la bande Q[s]. Ces résultats suggèrent que le désordre peut être une caractéristique de conception utile, plutôt qu’un simple défaut.
Le « trou vert »
Les plantes apparaissent vertes car elles réfléchissent la lumière verte plutôt que de l’absorber. Les antennes collectrices de lumière naturelles, à l’exception de certaines structures bactériennes appelées phycobilisomes, n’absorbent généralement pas beaucoup de lumière verte[s]. Cette lacune spectrale représente une énergie solaire inutilisée, une limite que les chercheurs cherchent à surmonter dans les systèmes artificiels.
La fixation du carbone et ses limites
Le cycle de Calvin convertit le dioxyde de carbone atmosphérique en sucre grâce à l’enzyme RuBisCO (ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase). La RuBisCO catalyse la carboxylation du ribulose 1,5-bisphosphate pour former du 3-phosphoglycérate, qui entre dans le cycle pour produire des sucres[s].
La RuBisCO est remarquablement lente et imprécise. Elle n’a pas une spécificité parfaite pour le dioxyde de carbone : elle se lie également à l’oxygène, produisant une molécule inhibitrice appelée 2-phosphoglycolate[s]. Cela déclenche la photorespiration, un processus qui consomme jusqu’à 30 % des équivalents réducteurs et 40 % de l’ATP produits par la photosynthèse dans des conditions naturelles[s].
La photosynthèse artificielle
Des chercheurs de l’Université de Bâle ont mis au point une molécule capable de stocker quatre charges simultanément sous irradiation lumineuse, deux positives et deux négatives[s]. Cette accumulation de charges est essentielle pour déclencher des réactions chimiques comme la photolyse de l’eau afin de produire de l’hydrogène comme carburant.
Contrairement aux tentatives précédentes nécessitant une lumière laser intense, ce système artificiel fonctionne à des intensités proches de la lumière solaire naturelle, une étape clé vers la production pratique de carburants solaires. L’amélioration des étapes en aval de la fixation du carbone et de la photorespiration offre une autre voie prometteuse[s].
Biologie de la photosynthèse : architecture moléculaire
Les réactions photochimiques de la photosynthèse oxygénique se déroulent dans la membrane des thylakoïdes grâce au fonctionnement séquentiel du photosystème II (PSII), du complexe cytochrome b6f, du photosystème I (PSI) et de l’ATP synthase[s]. Le PSII sert de centre catalytique pour la réaction de photolyse de l’eau, générant de l’oxygène moléculaire ainsi que les protons et électrons utilisés pour la production d’ATP et la réduction du NADP+ en NADPH[s].
Des structures récentes obtenues par cryo-microscopie électronique à une résolution de 2,9 Å chez Chlorella ohadii révèlent comment le supercomplexe PSII assure sa stabilité dans des conditions de lumière extrême. Des sous-unités supplémentaires (PsbR, PsbY) forment des interactions étendues au sein du complexe central, stabilisant le complexe d’évolution de l’oxygène. Les complexes trimériques collecteurs de lumière (LHCII) se lient au cœur du PSII par l’intermédiaire de protéines spécifiques dont l’expression est modulée en conditions de forte lumière[s].
Le cycle d’oxydation de l’eau
L’oxydation de l’eau dans le PSII suit le cycle de Kok à travers cinq états intermédiaires S (S0 à S4). L’absorption de quatre quanta de lumière par les pigments du PSII est nécessaire pour compléter un cycle d’oxydation de l’eau, chacun initiant une séparation de charge primaire et formant un radical cation de chlorophylle (P680+) du côté donneur d’électrons[s].
Le cluster Mn4CaO5-6 au cœur du complexe d’évolution de l’oxygène est relié au lumen des thylakoïdes par des réseaux étendus de molécules d’eau liées par des liaisons hydrogène et de chaînes latérales d’acides aminés formant des canaux d’évacuation des protons et d’accès à l’eau substrat. La polarographie et la spectroscopie infrarouge résolues en temps sur des photosystèmes cyanobactériens génétiquement modifiés identifient trois rôles distincts de l’environnement protéique dans la transition limitante S3→S4→S0 : l’accélération du transfert couplé proton-électron, l’insertion de l’eau substrat après la libération de O2, et l’équilibrage enthalpie-entropie[s].
Biologie de la photosynthèse : mécanismes de transfert d’énergie
Les photoexcitations délocalisées créées dans les complexes antennaires pigment-protéine persistent dans des canaux de conversion interne non radiatifs pendant plusieurs centaines de picosecondes, se diffusant sur des dizaines de nanomètres pour être récoltées avec une efficacité quantique proche de l’unité sous forme d’état séparé de charges stabilisé[s]. Dans des conditions optimales, les systèmes photosynthétiques atteignent une efficacité quantique supérieure à 90 % pour le transfert d’énergie des antennes vers les centres réactionnels[s].
La spectroscopie électronique 2D contrôlée par polarisation sur des nanotubes de porphyrine montre que les couplages vibroniques (vibrationnels-électroniques) persistent à température ambiante dans de grands agrégats désordonnés. Le désordre est l’ingrédient clé qui renforce considérablement les couplages vibroniques intrabandes dans toute la bande Q[s]. Le régime de paramètres où le désordre énergétique correspond à des vibrations Raman actives denses avec de faibles énergies de réorganisation pourrait être un principe de conception clé en biologie de la photosynthèse.
Architecture du PSI et adaptation au rouge lointain
Des structures obtenues par cryo-microscopie électronique à une résolution de 2,35 Å chez Euglena gracilis révèlent un cœur minimal de PSI associé à douze sous-unités LHCE et quatre sous-unités LHCII. La plupart des sous-unités LHCE s’organisent en dimères par des interactions hélice C-hélice C[s]. Deux dimères avec une LhcE8 monomérique forment un pentamère LHCE de type (2+2+1).
Les paires de chlorophylles décalées vers le rouge dans les sous-unités LhcE6 contribuent probablement à l’absorption dans le rouge lointain[s], étendant la gamme spectrale de la photosynthèse au-delà de 680 nm. Cette stratégie de collecte de la lumière rouge lointaine aide à expliquer comment les organismes issus d’endosymbioses secondaires de la lignée verte élargissent la lumière disponible pour leurs photosystèmes.
Limitations de la RuBisCO et photorespiration
La RuBisCO catalyse la carboxylation du ribulose 1,5-bisphosphate pour former du 3-phosphoglycérate (3PG), qui entre dans le cycle C3 pour produire des sucres[s]. Cependant, la RuBisCO n’a pas une spécificité parfaite pour le CO2/O2 : elle oxygène également le ribulose 1,5-bisphosphate, produisant la molécule inhibitrice 2-phosphoglycolate (2PG)[s].
La photorespiration recycle le 2PG en 3PG à un coût énergétique élevé. Dans des conditions naturelles, la photorespiration consomme jusqu’à 30 % des équivalents réducteurs foliaires (NADPH, NADH, ferrédoxine) et 40 % de l’ATP photosynthétique[s]. La spécificité CO2:O2 de la RuBisCO diminue avec la température (4:1 à 5 °C, 1:1 à 41 °C), rendant la photorespiration particulièrement significative en cas de stress thermique.
Photosynthèse artificielle et conception biomimétique
Des chercheurs de l’Université de Bâle ont développé une molécule pentamérique capable de stocker quatre charges simultanément sous irradiation lumineuse, deux positives et deux négatives[s]. Cette accumulation multi-charges imite la chimie à quatre électrons de l’oxydation naturelle de l’eau. Une excitation par étapes utilisant deux éclairs lumineux permet un fonctionnement à des intensités proches de la lumière solaire naturelle.
Les nanoantennes imitant les chlorosomes s’auto-assemblent par des interactions pigment-pigment sans nécessiter l’échafaudage pigment-protéine complexe des complexes collecteurs de lumière naturels. Les systèmes artificiels font face aux mêmes limitations spectrales que la biologie de la photosynthèse naturelle : la plupart des antennes absorbent mal dans la région verte et au-delà de 900 nm[s]. L’intégration de nanoparticules plasmoniques offre une stratégie pour étendre la couverture spectrale. Les efforts d’ingénierie ciblent donc séparément les goulots d’étranglement en aval de la fixation du carbone et de la photorespiration, plutôt que la collecte de la lumière elle-même[s].
