L’image montre un modèle 3D haute résolution de l’ARN polymérase végétale PEP, 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 de Göttingen ont réussi à créer des visualisations tridimensionnelles de machines à copier les chloroplastes.
Pour la survie de la vie sur Terre, le processus par lequel les plantes photosynthèse Il est crucial de générer de l’oxygène et de l’énergie chimique en utilisant la lumière du soleil. Des scientifiques de Göttingen et de Hanovre ont réalisé une avancée majeure en créant une visualisation 3D haute résolution du mécanisme de copie des chloroplastes, le 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, déterminant dans l’interprétation des schémas génétiques des protéines impliquées dans la photosynthèse.
Sans la 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 en utilisant l’énergie lumineuse du soleil. La conversion a lieu dans les chloroplastes, 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 », tout en conservant certaines fonctions importantes telles que la photosynthèse et certaines parties du génome bactérien. Le chloroplaste possède donc encore son propre ADNqui contient les plans des protéines cruciales de la « machinerie de photosynthèse ».
Avec la PEP à l’énergie
« Une machine de copie moléculaire unique, une ARN polymérase appelée PEP, lit les instructions génétiques du matériel génétique des chloroplastes », explique le professeur Hauke Hillen, chef du groupe de recherche à l’Institut Max Planck (MPI) pour les sciences multidisciplinaires, professeur à du centre médical universitaire de Göttingen et membre du cluster d’excellence 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 faire de photosynthèse 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 central multi-sous-unités, dont les parties protéiques sont codées dans le génome chloroplastique, et d’au moins douze protéines associées, appelées PAP. Le génome nucléaire de la cellule végétale en fournit les modèles. « Jusqu’à présent, nous avons pu caractériser structurellement et biochimiquement certaines parties individuelles de la machine à copier les chloroplastes, mais nous manquions d’informations précises sur sa structure globale et les fonctions de chaque PAP », explique le professeur Thomas Pfannschmidt, professeur à l’Institut de Botanique de l’Université Leibniz de Hanovre.
Instantané détaillé en 3D
En étroite collaboration, 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 à une résolution de 3,5 angströms, soit 35 millions de fois plus petite qu’un millimètre.
« Nous avons isolé des PEP intacts de la moutarde blanche, une plante modèle typique dans la recherche sur les plantes », décrit Frederik Ahrens, membre de l’équipe de Pfannschmidt et l’un des premiers auteurs de l’étude désormais publiée dans la revue Cellule moléculaire. En utilisant la cryomicroscopie électronique, les scientifiques ont ensuite créé un modèle 3D détaillé du complexe PEP en 19 parties. Pour cela, les échantillons ont été congelés ultra-rapidement. Les chercheurs ont ensuite photographié la machine à copier des milliers de fois, jusqu’au niveau atomique, sous de nombreux angles et les ont combinés en une image globale à l’aide de calculs informatiques complexes.
« L’instantané structurel a montré que le noyau du PEP est similaire à celui d’autres ARN polymérases, comme chez les bactéries ou le noyau cellulaire des cellules supérieures. Cependant, il contient des caractéristiques spécifiques aux chloroplastes qui interviennent dans les interactions avec les PAP. Ces dernières, nous ne les trouvons que dans les plantes et elles sont uniques dans leur structure », explique Paula Favoretti Vital do Prado, doctorante au MPI, membre du Hertha Sponer College du MBExC et également première auteure de l’étude. Les scientifiques pensaient déjà que les PAP remplissaient des fonctions individuelles dans la lecture des gènes de la photosynthèse. « Comme nous avons pu le montrer, les protéines s’organisent de manière particulière autour du noyau de l’ARN polymérase. Sur la base de leur structure, il est probable que les PAP interagissent avec le complexe central de diverses manières et soient impliquées dans le 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 du photocopieur est similaire dans d’autres usines. « Nos résultats indiquent que la structure du complexe PEP est la même dans toutes les plantes terrestres », explique Pfannschmidt. Les nouvelles découvertes sur le processus de copie de l’ADN chloroplastique nous aident à mieux comprendre les mécanismes fondamentaux de la biogenèse de la machinerie de photosynthèse. Ils pourraient également être utiles pour des applications biotechnologiques à l’avenir.
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 pôle 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 EU Horizon 2020 avec l’ERC Starting Grant MitoRNA (Grant Agreement n° 101116869).
