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Engineered Near-Infrared Photosynthesis

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Une photosynthèse plus efficace pour les plantes à haute productivité

Imaginez que les plantes exploitent tout le spectre de la lumière solaire. Leur efficacité inégalée permettrait de nouvelles applications en biotechnologie et des cultures plus productives. C’est précisément l’objectif qui a été fixé à EngiNear-IR.

RECHERCHE FONDAMENTALE

© Quality Stock Arts, Shutterstock

Comme tous les êtres vivants sur Terre, les plantes disposent de ce dont elles ont besoin pour survivre. Ni plus ni moins. C’est vrai pour le cactus épineux qui se protège des animaux assoiffés comme pour la photosynthèse. Alors que la plupart des plantes utilisent la chlorophylle a pour capter abondamment la lumière rouge, elles ont tendance à sous-utiliser, voire à ignorer totalement, les autres longueurs d’onde, simplement parce qu’elles n’en ont pas besoin. Cette simple observation, associée à une curiosité née à l’école lorsqu’il a découvert que notre nourriture et notre énergie sont en partie issues de la photosynthèse, a amené le Dr Daniel Canniffe à dédier sa carrière aux mystères de la photosynthèse. Se concentrant initialement sur les voies de biosynthèse des pigments, notamment les chlorophylles, les hèmes et les caroténoïdes, il a ensuite décidé de créer de nouveaux pigments qui n’existent pas dans la nature. Son objectif consistait à élargir la gamme de longueurs d’onde disponibles pour la photosynthèse. «Les organismes qui exécutent la photosynthèse oxygénique utilisent deux “photosystèmes”, des complexes pigment-protéine, en série, mais ces deux photosystèmes capturent les mêmes longueurs d’onde de lumière», explique le Dr Canniffe, soutenu par le programme Marie Skłodowska-Curie. «Si nous pouvions concevoir l’un des deux photosystèmes pour exploiter une plage différente du spectre solaire, ils cesseraient de rivaliser pour les mêmes photons et cela permettrait de presque doubler l’efficacité de récupération de la lumière.» Puisque capter davantage de lumière signifie améliorer les rendements, cela répond à la nécessité mondiale de doubler les rendements agricoles d’ici 2050, quand il faudra nourrir neuf milliards d’individus. Le projet EngiNear-IR a réalisé des progrès considérables à cet égard. S’appuyant sur le succès du Dr Canniffe en matière d’ingénierie de la biosynthèse de photopigments dans un hôte bactérien, le projet visait à incorporer ces pigments dans les centres de réaction des plantes pour créer de nouveaux photosystèmes capables d’exploiter les régions du spectre solaire proches de l’infrarouge. «Les structures de centres de réaction de divers types d’organismes photosynthétiques ont déjà été résolues à très haute résolution. Cela a permis de prédire avec quelle facilité différents pigments pourraient s’insérer dans les poches de protéines remplies de pigments natifs. Il a alors été possible de repenser rationnellement ces protéines, en remplaçant des acides aminés, afin que les nouvelles poches atteignent la taille et la forme appropriées. L’ADN qui encodera cette protéine repensée pourra ensuite être modifié en laboratoire, voire commandé directement par une entreprise capable de synthétiser de l’ADN. Ceci peut être introduit directement dans notre modèle de “photosynthétiseur” bactérien», se réjouit le Dr Canniffe. Le Dr Canniffe a notamment participé à la découverte de l’enzyme responsable de la formation de la chlorophylle f, le pigment qui permet à la photosynthèse oxygénique de se produire sous une lumière rouge lointaine, en dehors de la plage visible du spectre. Il faisait également partie de l’équipe qui a résolu la structure du centre de réaction d’un organisme utilisant le rayonnement proche infrarouge avec une longueur d’onde supérieure à 1 000 nm. C’est le photosystème le plus «décalé vers le rouge» qui ait été découvert dans la nature, à tel point qu’il peut être envisagé de capter de la chaleur plutôt que de la lumière. À terme, la recherche du projet EngiNear-IR pourrait générer de nouveaux organismes pour les applications biotechnologiques. «Des bactéries capables de capter davantage de lumière pourraient éliminer davantage de dioxyde de carbone de l’atmosphère. Elles pourraient utiliser ce carbone fixe pour fabriquer des sucres, qui pourraient à leur tour être utilisés pour fabriquer des produits à haute valeur, comme des biocarburants et des médicaments. En outre, l’amélioration de la photosynthèse chez les plantes cultivées pourrait augmenter le rendement des cultures et la durée des saisons, et potentiellement permettre de cultiver les terres plus proches des pôles», explique le Dr Canniffe. Bien que le projet ait été achevé en novembre 2018, le Dr Canniffe a promis que ses collaborateurs et lui-même publieraient encore quelques résultats intéressants.

Mots‑clés

EngiNear-IR, plante, photosynthèse, chlorophylle f, efficacité, ingénierie, infrarouge, lumière, pigments

Informations projet

N° de convention de subvention: 660652

État

Projet clôturé

  • Date de début

    1 Decembre 2015

  • Date de fin

    30 Novembre 2018

Financé au titre de:

H2020-EU.1.3.2.

  • Budget total:

    € 251 857,80

  • Contribution de l’UE

    € 251 857,80

Coordonné par:

THE UNIVERSITY OF SHEFFIELD