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De nouvelles approches en biologie de synthèse améliorent la collecte de l’énergie solaire avec des bactéries

Combiner les bactéries avec la technologie permet non seulement de booster la photosynthèse, mais également d’offrir de nouveaux moyens d’obtenir une énergie propre, peu coûteuse et illimitée, à partir de la lumière solaire. Les nouvelles approches synthétiques et les résultats expérimentaux de SYNTHPHOTO constituent un pas en avant vers cette réalité.

Énergie

Les plantes, les algues et les bactéries captent l’énergie lumineuse du Soleil et la transforment en énergie chimique par le biais de la photosynthèse. Ces organismes phototrophes captent la lumière du soleil grâce aux millions de pigments photosynthétiques – comme la chlorophylle et la bactériochlorophylle – présents dans chaque cellule photosynthétique. Afin de pouvoir absorber l’énergie lumineuse et la transmettre aux réactions de photosynthèse qui ont besoin d’énergie, ces pigments doivent être fixés sur l’ossature de protéines spécialisées. Le projet SYNTHPHOTO, financé par l’UE, a permis d’en apprendre davantage au sujet de ce mécanisme de liaison mal compris. «Nous voulons comprendre comment les complexes pigment-protéine sont fabriqués et comment ils déclenchent un processus aboutissant à la production d’adénosine triphosphate, un produit chimique organique complexe qui alimente des milliers de réactions chimiques qui permettent aux cellules de se développer et de se diviser. Ces complexes de récupération de la lumière ne se contentent pas de fournir l’énergie nécessaire à la vie: ils détiennent également le secret permettant de concevoir des dispositifs qui pourraient un jour fournir une énergie vraiment propre et illimitée à partir de la lumière du Soleil», note le professeur Neil Hunter, coordinateur de SYNTHPHOTO. Étudier la biosynthèse de la chlorophylle Les chercheurs du laboratoire Hunter ont cloné et séquencé de nombreux gènes de la voie de biosynthèse de la chlorophylle chez Rhodobacter sphaeroides – une bactérie photosynthétique pourpre – et chez la cyanobactérie Synechocystis. Ils ont réussi à en produire beaucoup d’une façon active chez Escherichia coli. En se concentrant sur l’enzymologie de cette voie, l’équipe a découvert les réactions enzymatiques qui se cachent derrière les première et troisième grandes étapes de la biosynthèse de la chlorophylle ainsi que la véritable identité de l’enzyme qui confère cette couleur verte aux plantes, si dominante sur Terre qu’elle se voit depuis l’espace. Il est important de noter que c’est la première fois que des chercheurs parviennent à reconstituer la voie de biosynthèse de la chlorophylle dans un organisme non photosynthétique. «Nous avons réussi à assembler des modules génétiques dans Escherichia coli, reproduisant la voie complète de biosynthèse de la chlorophylle. Nos résultats définissent un ensemble minimum d’enzymes nécessaires pour fabriquer de la chlorophylle et constituent une plateforme en matière d’ingénierie de la photosynthèse dans des organismes modèles hétérotrophes», note le professeur Hunter. Lever le voile sur la structure des complexes de récupération de la lumière Grâce à l’utilisation de la microscopie à force atomique, de techniques de cristallographie et de données de microscopie électronique, les chercheurs ont construit pour la première fois des modèles, au niveau atomique, de l’intégralité des assemblages membranaires photosynthétiques de Rhodobacter sphaeroides. Ces modèles ont réussi à prédire le temps de doublement des bactéries – un résultat remarquable. Un autre succès important du projet a consisté à déterminer une structure protéique photosynthétique qui capte et piège la lumière infrarouge puis la convertit sous forme de charge électrique. Cette étude inédite a été menée sur un complexe photosynthétique de la bactérie Blastochloris viridis, capable de capter et d’utiliser la lumière à des longueurs d’onde supérieures à 1 000 nm, au-delà de ce qu’on appelle la «limite rouge» de la photosynthèse sur Terre. Des structures hybrides pour une meilleure récupération de la lumière En utilisant des méthodes de biologie de synthèse, les chercheurs ont créé le premier complexe photosynthétique hybride dans une bactérie, qui augmente l’efficacité de l’exploitation de la lumière solaire par rapport à la photosynthèse naturelle. L’équipe a également présenté de nouvelles chimies de surface et de nouvelles méthodes de nanostructuration destinées à faciliter la fabrication d’architectures innovantes pour un transfert et un piégeage d’énergie couplés. Ils ont notamment élaboré des motifs, à l’échelle nanométrique, de complexes photosynthétiques sur des monocouches auto-assemblées déposées sur de l’or et du silicium en utilisant plusieurs méthodes lithographiques. «De tels réseaux artificiels de récupération de la lumière permettront de mieux comprendre les systèmes naturels de conversion d’énergie et pourraient guider la conception et la production de dispositifs de démonstration de principe capables de capter, de convertir et de stocker efficacement l’énergie solaire», conclut le professeur Hunter. À l’avenir, il pourrait y avoir de nombreuses applications dans le secteur de l’énergie.

Mots‑clés

SYNTHPHOTO, photosynthèse, bactéries, pigment, biologie de synthèse, énergie solaire, complexe de collecte de la lumière, biosynthèse de la chlorophylle

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