Redistribution of electron flow between redox cofactors branches in photosystem I from the menB variants of cyanobacterium Synechocystis sp. PCC 6803

Imaginez l'intérieur d'une feuille comme une centrale électrique de haute technologie en pleine effervescence. Sa tâche est de capturer la lumière du soleil et de la transformer en électricité que la plante peut utiliser pour croître. Ce processus se déroule dans de minuscules usines appelées Photosystème I. Imaginez ces usines comme possédant deux lignes d'assemblage identiques, ou « branches », fonctionnant côte à côte. Sur ces lignes, des électrons (de minuscules particules chargées) font la course d'un point de départ à une ligne d'arrivée, un peu comme des coureurs dans une course de relais. Habitournellement, ces électrons sautent entre des pierres de passage spéciales appelées cofacteurs. Dans une plante saine, les pierres de passage les plus importantes sont faites d'une molécule spécifique appelée phylloquinone. Les scientifiques débattent depuis longtemps pour savoir laquelle des deux lignes d'assemblage est la « principale » et laquelle est la « de secours », mais il a été difficile de voir exactement ce qui se passe car les électrons se déplacent si vite — plus vite qu'un appareil photo ne peut prendre une image.

Cette étude se concentre sur un groupe spécifique de cyanobactéries (des organismes microscopiques, semblables à des plantes) qui possèdent un manuel d'instructions cassé. À cause d'un gène manquant, elles ne peuvent pas fabriquer leurs pierres de passage habituelles en phylloquinone. Au lieu de cela, elles sont forcées d'utiliser une molécule différente, un peu plus maladroite, appelée plastoquinone. Ce changement ralentit considérablement les électrons, transformant un sprint éclair en un jogging lent. En ralentissant la course, les scientifiques ont enfin pu « voir » les électrons se déplacer et comprendre exactement comment les deux lignes d'assemblage partagent le travail. Cela importe car comprendre comment la nature construit des panneaux solaires aussi efficaces pourrait nous aider à concevoir de meilleures cellules solaires artificielles et des batteries pour notre propre usage.

Les chercheurs ont décidé d'examiner de plus près deux versions différentes de ces bactéries « cassées ». Une version possédait une version de la molécule de remplacement lâche et vacillante (appelons-la l'« Équipe Lâche »), et l'autre possédait une version qui s'ajustait étroitement en place (l'« Équipe Serrée »). Ils voulaient voir si la fragilité de la molécule changeait la façon dont les électrons choisissaient leur chemin. Pour ce faire, ils ont construit de minuscules bulles artificielles appelées protéoliposomes et y ont fixé les usines de photosystèmes des bactéries. Ensuite, ils ont frappé les usines avec un flash de lumière super rapide et ont mesuré la minuscule étincelle électrique qui a sauté à travers la peau de la bulle.

Voici ce qu'ils ont trouvé : Dans l'« Équipe Serrée », les électrons se déplaçaient avec un rythme prévisible. Environ 60 % des électrons empruntaient la voie rapide (une branche que nous appellerons la branche B) en environ 5 microsecondes, tandis que les autres, soit 40 %, empruntaient un chemin légèrement plus lent (la branche A) en environ 30 microsecondes. Cependant, dans l'« Équipe Lâche », l'histoire changeait. Les électrons étaient encore plus lents. La voie rapide prenait environ 10 microsecondes, et la voie lente traînait sur environ 100 microsecondes. Plus important encore, l'équilibre a changé. Dans la version lâche, un énorme 70 % des électrons choisissait la branche B, contre seulement 30 % pour la branche A.

Les scientifiques suggèrent que ce changement se produit parce que la molécule lâche transforme la branche A en une sorte d'impasse. Il devient énergétiquement difficile pour un électron de sauter de la pierre de passage de la branche A vers la station suivante, de sorte que les électrons l'évitent naturellement et s'entassent dans la branche B. C'est comme si un côté d'un pont présentait un énorme nid-de-poule ; la plupart des voitures changeraient instinctivement de côté pour éviter l'obstacle. L'étude confirme que chez ces bactéries mutantes, le flux d'électrons est fortement redistribué, la branche B faisant presque tout le gros du travail.

Les chercheurs ont également vérifié s'ils pouvaient remplacer les molécules lâches par un produit chimique différent pour voir si le système se réparait de lui-même. Ils ont découvert que l'« Équipe Serrée » était têtue ; le nouveau produit chimique ne pouvait pas pousser la molécule originale dehors. Mais l'« Équipe Lâche » était flexible ; le nouveau produit chimique prenait facilement le relais, et les vitesses des électrons changeaient à nouveau. Cela a prouvé que le type spécifique de molécule et la façon dont elle est tenue fermement sont les clés pour contrôler le chemin que prennent les électrons.

En résumé, ce papier montre que la stabilité des pierres de passage à l'intérieur de la centrale solaire dicte le flux de trafic. Lorsque les pierres sont lâches et instables, les électrons sont confus et créent un goulot d'étranglement dans une voie, ralentissant tout. Lorsque les pierres sont serrées et sécurisées, le trafic circule plus uniformément. Bien que l'étude ne prétende pas avoir résolu le mystère de la façon dont toutes les plantes fonctionnent, elle fournit une image claire et mesurée de la façon dont un petit changement dans le « mobilier » moléculaire peut complètement remodeler le flux d'énergie dans un photosystème.