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Une découverte clé sur les carboxysomes rapproche les scientifiques d’une photosynthèse suralimentée

SciTechDaily

Une équipe de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong a fait progresser notre compréhension des carboxysomes, des structures présentes dans les bactéries et les algues qui fixent le carbone. Ils ont montré comment ceux-ci peuvent être purifiés et leur structure détaillée, ouvrant la voie à des applications potentielles pour améliorer la photosynthèse des plantes et le rendement des cultures, ce qui pourrait contribuer à augmenter les approvisionnements alimentaires et à lutter contre le réchauffement climatique. Leurs projets futurs incluent la modification de ces structures pour améliorer leur fonctionnalité et leur intégration dans les plantes pour tester leur efficacité à augmenter la photosynthèse.

Une équipe de l’Université des sciences et technologies de Hong Kong (HKUST) a réalisé des progrès significatifs dans la compréhension des carboxysomes, qui sont des structures de certaines bactéries et algues qui fixent le carbone. Cette découverte pourrait permettre aux chercheurs de modifier et de réutiliser ces structures, améliorant ainsi la capacité des plantes à transformer la lumière du soleil en énergie. Cette avancée pourrait conduire à une plus grande photosynthèse l’efficacité énergétique, ce qui pourrait accroître l’approvisionnement alimentaire mondial et contribuer à lutter contre le réchauffement climatique.

Les carboxysomes sont de minuscules compartiments présents dans certaines bactéries et algues qui renferment des enzymes particulières dans une coque constituée de protéines. Ils effectuent la fixation du carbone, qui est le processus de conversion du dioxyde de carbone de l'atmosphère en composés organiques pouvant être utilisés par la cellule pour sa croissance et son énergie. Les scientifiques tentent de comprendre comment ces compartiments s’assemblent.

Modèle d'auto-assemblage de Prochlorococcus α Carboxysome

Le modèle à auto-assemblage de Prochlorocoque α-carboxysome. Crédit : HKUST

Percée dans la recherche sur les carboxysomes

Dans leurs dernières recherches, l'équipe dirigée par le professeur Zeng Qinglu, professeur agrégé au département des sciences océaniques de la HKUST, a montré l'architecture globale des carboxysomes purifiés à partir d'un type de bactérie appelé Prochlorocoque.

En collaboration avec le professeur Zhou Cong-Zhao de l'École des sciences de la vie de l'Université des sciences et technologies de Chine, l'équipe a surmonté l'une des plus grandes difficultés techniques liées à la rupture et à la contamination des cellules, qui empêcherait la purification appropriée des carboxysomes. L’équipe propose également un modèle d’assemblage complet de l’α-carboxysome, qui n’a pas été observé dans les études précédentes.

Zeng Qinglu et Li Haofu

Le professeur Zeng Qinglu (à droite) et l'un des auteurs du document de recherche, M. Li Haofu (à gauche), doctorant au Département des sciences océaniques, montrent l'échantillon de Prochlorocoque Culture MED4. Crédit : HKUST

En particulier, l’équipe a utilisé la microscopie cryoélectronique à particule unique pour déterminer la structure de l’α-carboxysome et caractériser le modèle d’assemblage de la coque protéique, qui ressemble à une forme à 20 côtés avec des protéines spécifiques disposées à sa surface.

Pour obtenir la structure de l'α-carboxysome minimal d'un diamètre de 86 nm, ils ont collecté plus de 23 400 images prises au microscope du centre biologique Cryo-EM de HKUST et ont sélectionné manuellement environ 32 000 particules d'α-carboxysome intactes pour analyse.

Structure interne et assemblage des carboxysomes

À l’intérieur, les enzymes RuBisCO sont disposées en trois couches concentriques, et l’équipe de recherche a également découvert qu’une protéine appelée CsoS2 aide à maintenir le tout ensemble à l’intérieur de la coquille. Enfin, les résultats suggèrent que les carboxysomes sont assemblés de l’extérieur vers l’intérieur. Cela signifie que la surface intérieure de la coque est renforcée par certaines parties de la protéine CsoS2, tandis que d’autres parties de la protéine attirent les enzymes RuBisCO et les organisent en couches.

Cryomicroscopie électronique Prochlorococcus α Carboxysome

Avec le soutien du HKUST Biological Cryo-EM Center, l'équipe a utilisé la microscopie cryoélectronique à particules uniques pour déterminer la structure de la coque intacte et caractériser l'architecture globale du modèle d'assemblage à quatre couches de Prochlorocoque α-carboxysome. Crédit : HKUST

L’une des applications les plus prometteuses des carboxysomes est la biologie synthétique des plantes, où l’introduction de carboxysomes dans les chloroplastes des plantes en tant que mécanisme de concentration du CO2 peut améliorer l’efficacité photosynthétique et le rendement des cultures.

« Notre étude dévoile le mystère de l’assemblage des α-carboxysomes à partir de Prochlorocoque, fournissant ainsi de nouvelles informations sur le cycle mondial du carbone », déclare le professeur Zeng. Les résultats seront également importants pour ralentir le réchauffement climatique, dit-il, car les cyanobactéries marines fixent 25 % du CO2 mondial. « Notre compréhension du mécanisme de fixation du CO2 des cyanobactéries marines nous permettra d’améliorer leur taux de fixation du CO2 afin que davantage de CO2 puisse être éliminé de l’atmosphère », dit-il.

Suite à cette étude, l’équipe envisage d’introduire Prochlorocoque α-carboxysome dans les chloroplastes des plantes et étudiez si l'α-carboxysome minimal peut améliorer l'efficacité photosynthétique des plantes. Ils prévoient également de modifier les gènes des carboxysomes et de créer des super cyanobactéries génétiquement modifiées capables de fixer le dioxyde de carbone à des taux très élevés, ce qui pourrait ralentir le réchauffement climatique.

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