Photosynthèse : plusieurs chemins mènent au centre de réaction
Des chimistes utilisent la chimie quantique de haute précision pour étudier les éléments clés d'un transfert d'énergie super efficace dans un élément important de la photosynthèse
La photosynthèse est le moteur de toute vie sur Terre. Des processus complexes sont nécessaires pour transformer le dioxyde de carbone et l'eau en sucre riche en énergie et en oxygène, sous l'effet de la lumière du soleil. Ces processus sont pilotés par deux complexes protéiques, les photosystèmes I et II. Dans le photosystème I, la lumière du soleil est utilisée avec une efficacité de près de 100 %. Un réseau complexe de 288 chlorophylles y joue un rôle décisif. Une équipe dirigée par Regina de Vivie-Riedle, chimiste à la LMU, vient de caractériser ces chlorophylles à l'aide de calculs chimiques quantiques de haute précision. Il s'agit d'une étape importante vers une compréhension globale du transfert d'énergie dans ce système et vers la possibilité d'exploiter son efficacité dans des systèmes artificiels à l'avenir.
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Les chlorophylles du photosystème I captent la lumière du soleil dans un complexe d'antennes et transfèrent l'énergie à un centre de réaction. L'énergie solaire y est utilisée pour déclencher un processus d'oxydoréduction, c'est-à-dire un processus chimique par lequel des électrons sont transférés. Le rendement quantique du photosystème I est proche de 100 %, ce qui signifie que presque chaque photon absorbé entraîne un processus d'oxydoréduction dans le centre de réaction.
Simulation dans des conditions naturelles
"Bien que le transfert d'énergie complexe à l'intérieur du photosystème soit étudié depuis des décennies, il n'y a pas de consensus à ce jour sur le mécanisme exact", explique Mme de Vivie-Riedle. Pour mieux comprendre ce phénomène, les chercheurs ont simulé l'excitation lumineuse de toutes les chlorophylles dans un modèle de photosystème I intégré dans une membrane lipidique. Une méthode multiréférence très précise a été utilisée pour calculer les excitations électroniques. Par rapport à des études antérieures, cette approche permet de décrire le photosystème I sur la base d'une méthodologie de pointe. Les calculs complexes ont été rendus possibles par le superordinateur du Leibniz Supercomputing Centre.
Les résultats de l'étude, qui fait la couverture de la revue Chemical Science, révèlent l'existence de "chlorophylles rouges" qui absorbent la lumière à des énergies légèrement inférieures à celles de leurs voisines en raison des effets électrostatiques ambiants. En conséquence, leur spectre d'absorption est décalé vers le rouge. De manière analogue, les chercheurs ont également identifié des barrières énergétiques entre le complexe d'antennes et le centre de réaction, entre autres. "Cela semble surprenant à première vue, car il n'y a pas de gradient évident le long duquel l'énergie est transférée du complexe d'antennes au centre de réaction", explique Sebastian Reiter, auteur principal de l'étude.
Les fluctuations surmontent les barrières énergétiques
Dans des conditions physiologiques, cependant, l'ensemble du photosystème I est soumis à des fluctuations thermiques qui surmontent ces barrières énergétiques, car les énergies relatives des chlorophylles changent les unes par rapport aux autres. De cette manière, de nouvelles voies d'accès au centre de réaction peuvent constamment s'ouvrir, tandis que d'autres se ferment. Selon la thèse centrale des auteurs, cela pourrait être la clé de la grande efficacité du photosystème I.
"Notre simulation atomistique de ces processus permet une compréhension microscopique du système et de sa dynamique dans son environnement naturel, en complément des approches expérimentales", conclut Regina de Vivie-Riedle, qui est également membre du pôle d'excellence e-conversion. L'un des objectifs du pôle est de transférer un jour l'efficacité des photocatalyseurs naturels à des systèmes hybrides nano-bio artificiels pour des applications telles que la production d'hydrogène comme vecteur d'énergie ou la conversion du monoxyde de carbone en carburant. Pour ce faire, il est nécessaire de mieux comprendre le mécanisme de transfert d'énergie. Grâce à leurs résultats sur le photosystème I, les scientifiques ont franchi une étape importante vers la réalisation de cet objectif.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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