Une nouvelle étude a révélé un mécanisme de commutation quantique dans le complexe de récolte de lumière II (LHCII), crucial pour une photosynthèse efficace. Cette découverte, réalisée grâce à la cryo-EM avancée et à des calculs théoriques, confirme le rôle dynamique du LHCII dans la régulation du transfert d’énergie dans les plantes. Crédit : Issues.fr.com
La photosynthèse est un processus vital permettant aux plantes de transformer le dioxyde de carbone en composés organiques grâce à la lumière du soleil. Le complexe de récolte de lumière II (LHCII) est constitué de molécules pigmentaires attachées à des protéines. Il alterne entre deux rôles principaux : sous une lumière intense, il dissipe l’énergie excédentaire sous forme de chaleur grâce à une trempe non photochimique, et sous une faible lumière, il transfère efficacement la lumière au centre de réaction.
Des recherches récentes en bioingénierie ont révélé qu’accélérer le passage entre ces fonctions peut améliorer l’efficacité photosynthétique. Par exemple, les cultures de soja ont montré des augmentations de rendement allant jusqu’à 33 %. Cependant, les changements structurels précis au niveau atomique dans le LHCII qui déclenchent cette régulation étaient auparavant inconnus.
Le mécanisme moléculaire du NPQ et les changements induits par l’acidité dans certains facteurs structurels clés conduisent le trimère LHCII à basculer entre les états de récupération de lumière et d’extinction d’énergie. Crédit : Institut de Physique
Approche de recherche innovante
Dans une nouvelle étude, des chercheurs dirigés par le professeur Weng Yuxiang de l’Institut de physique de l’Académie chinoise des sciences, ainsi que le groupe du professeur Gao Jiali du laboratoire de la baie de Shenzhen, ont combiné des études de microscopie cryoélectronique (cryo-EM) à particules uniques. de structures dynamiques de LHCII à résolution atomique avec des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité multi-états (MSDFT) du transfert d’énergie entre les molécules de pigment photosynthétiques pour identifier le commutateur quantique de pigment photosynthétique pour le transfert d’énergie intermoléculaire.
Dans le cadre de leurs travaux, ils ont rapporté une série de six structures 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 dans des conditions neutres et acides.
La comparaison de ces différentes structures montre que LHCII subit un changement de conformation lors de l’acidification. Ce changement modifie de manière allostérique la distance inter-pigment du locus d’extinction de fluorescence Lutein1 (Lut1) – Chlorophylle612 (Chl612) uniquement lorsque LHCII est confiné dans des nanodisques membranaires, conduisant à l’extinction de Chl612 excité par Lut1. Ainsi, le LHCII confiné avec une pression latérale (par exemple, le LHCII agrégé) est une condition préalable à la trempe non photochimique (NPQ), alors que acideLe changement conformationnel induit améliore l’extinction de la fluorescence.
Structures cryo-EM pour LHCII en nanodisque et en solution détergente à pH 7,8 et 5,4. Crédit : Institut de Physique
Mécanisme de commutation quantique dans la photosynthèse
Grâce aux calculs MSDFT des structures cryo-EM et de la structure cristalline connue dans les états trempés, ainsi qu’aux expériences de fluorescence transitoire, un mécanisme de commutation quantique significatif du LHCII a été révélé, la distance Lut1 – Chl612 étant le facteur clé.
Cette distance régule le canal quantique de transfert d’énergie en réponse à la pression latérale sur LHCII et au changement de conformation, c’est-à-dire qu’un léger changement à sa distance critique de 5,6 Å permettrait une commutation réversible entre la récupération de lumière et la dissipation excessive d’énergie. Ce mécanisme permet une réponse rapide aux changements d’intensité lumineuse, garantissant à la fois une efficacité élevée dans photosynthèse et photoprotection équilibrée avec LHCII comme commutateur quantique.
La relation entre le taux de décroissance de la fluorescence, la force de couplage électronique Lut1 – Chl612 par rapport à la distance de séparation Lut1 – Chl612 et le tracé de la distance Lut1 – Chl612 en fonction de l’angle de croisement des hélices TM A et B dans différentes structures 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 ultrarapide et avaient proposé que le LHCII soit une machine moléculaire à régulation allostérique. Leurs structures cryo-EM expérimentales actuelles confirment les changements structurels précédemment prédits théoriquement dans le LHCII.
Cette recherche a été soutenue par des projets de l’Académie chinoise des sciences, de la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et de la Commission municipale de l’innovation scientifique et technologique de Shenzhen.
