De nouvelles recherches révèlent les secrets atomiques de la photosynthèse, fournissant ainsi un aperçu du processus complexe de transcription de l’ARN polymérase chloroplastique. Cette avancée est prometteuse pour améliorer la résilience des cultures et comprendre les mécanismes de croissance des plantes. Crédit : Issues.fr.com
Les mystères de photosynthèse ont été dévoilées au niveau atomique, fournissant de nouvelles informations significatives sur cette superpuissance végétale qui a transformé la Terre en un paysage vert il y a plus d’un milliard d’années.
Les chercheurs du John Innes Center ont utilisé une méthode de microscopie avancée appelée cryo-EM pour explorer la fabrication des protéines photosynthétiques.
L’étude, publiée dans Cellule, présente un modèle et des ressources pour stimuler d’autres découvertes fondamentales dans ce domaine et contribuer aux objectifs à long terme de développement de cultures plus résilientes.
Comprendre la production de protéines photosynthétiques
Le Dr Michael Webster, chef du groupe et co-auteur de l’article, a déclaré : « La transcription des gènes des chloroplastes est une étape fondamentale dans la fabrication des protéines photosynthétiques qui fournissent aux plantes l’énergie dont elles ont besoin pour se développer. Nous espérons qu’en comprenant mieux ce processus – au niveau moléculaire détaillé – nous équiperons les chercheurs cherchant à développer des plantes dotées d’une activité photosynthétique plus robuste.
« Le résultat le plus important de ce travail est la création d’une ressource utile. Les chercheurs peuvent télécharger notre modèle atomique de la polymérase chloroplastique et l’utiliser pour produire leurs propres hypothèses sur la façon dont elle pourrait fonctionner et des stratégies expérimentales qui les testeraient.
La photosynthèse a lieu à l’intérieur des chloroplastes, de petits compartiments à l’intérieur des cellules végétales qui contiennent leur propre génome, reflétant leur passé de bactéries photosynthétiques libres avant d’être englouties et cooptées par les plantes.
Voir la molécule polymérase qui transcrit les gènes photosynthétiques dans le chloroplaste végétal. Les images de molécules individuelles collectées au microscope électronique ont été triées et alignées pour révéler les détails de l’architecture structurelle du complexe protéique. Crédit : Michael Webster et Ishika Pramanick
Le groupe Webster du John Innes Center étudie comment les plantes fabriquent des protéines photosynthétiques, les machines moléculaires qui provoquent cette élégante réaction chimique, convertissant le dioxyde de carbone atmosphérique et l’eau en sucres simples et produisant de l’oxygène comme sous-produit.
La première étape de la production de protéines est la transcription, où un gène est lu pour produire un « messager ». ARN‘. Ce processus de transcription est effectué par une enzyme appelée ARN polymérase.
La complexité de l’ARN polymérase chloroplastique
On a découvert il y a 50 ans que les chloroplastes contiennent leur propre ARN polymérase. Depuis, les scientifiques ont été surpris par la complexité de cette enzyme. Elle possède plus de sous-unités que son ancêtre, l’ARN polymérase bactérienne, et est encore plus grosse que l’ARN polymérase humaine.
Le groupe Webster voulait comprendre pourquoi les chloroplastes possèdent une ARN polymérase si sophistiquée. Pour ce faire, ils devaient visualiser l’architecture structurelle de l’ARN polymérase chloroplastique.
L’équipe de recherche a utilisé une méthode appelée microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) pour imager des échantillons d’ARN polymérase chloroplastique purifiée à partir de plants de moutarde blanche.
Aperçus de l’analyse au niveau atomique
En traitant ces images, ils ont pu construire un modèle contenant les positions de plus de 50 000 atomes dans le complexe moléculaire.
Le complexe ARN polymérase comprend 21 sous-unités codées dans les deux génomes, nucléaire et chloroplastique. Une analyse approfondie de cette structure, dans la mesure où elle effectue la transcription, a permis aux chercheurs de commencer à expliquer les fonctions de ces composants.
Le modèle leur a permis d’identifier une protéine qui interagit avec le ADN au fur et à mesure de sa transcription et le guide vers le site actif de l’enzyme.
Un autre composant peut interagir avec l’ARNm produit, ce qui le protège probablement des protéines qui le dégraderaient avant qu’il ne soit traduit en protéine.
Le Dr Webster a déclaré : « Nous savons que chaque composant de l’ARN polymérase chloroplastique joue un rôle vital, car les plantes dépourvues de l’un d’entre eux ne peuvent pas fabriquer de protéines photosynthétiques et ne peuvent donc pas devenir vertes. Nous étudions attentivement les modèles atomiques pour identifier le rôle de chacun des 21 composants de l’assemblage.
Le Dr Ángel Vergara-Cruces, premier auteur commun, a déclaré : « Maintenant que nous disposons d’un modèle structurel, la prochaine étape consiste à confirmer le rôle des protéines de transcription chloroplastiques. En révélant les mécanismes de transcription des chloroplastes, notre étude offre un aperçu de son rôle dans la croissance, l’adaptation et la réponse des plantes aux conditions environnementales.
Le premier auteur commun, le Dr Ishika Pramanick, a déclaré : « Il y a eu de nombreux moments surprenants dans ce parcours de travail remarquable, à commencer par la purification très difficile des protéines jusqu’à la prise d’images cryo-EM époustouflantes de cette énorme protéine complexe pour enfin voir notre travail dans une version imprimée. »
Le Dr Webster a conclu : « La chaleur, la sécheresse et la salinité limitent la capacité des plantes à effectuer la photosynthèse. Les plantes capables de produire des protéines photosynthétiques de manière fiable face au stress environnemental peuvent contrôler différemment la transcription des chloroplastes. Nous sommes impatients de voir notre travail utilisé dans l’effort important visant à développer des cultures plus robustes.
