Percez les secrets de la photosynthèse

Une expérience de pointe a révélé la dynamique quantique qui sous-tend l’un des processus naturels les plus importants.

Grâce à un complexe de pigments minéraux, de protéines, d’enzymes et de coenzymes, les organismes photosynthétiques peuvent convertir l’énergie de la lumière en énergie chimique vitale. Une étude récemment publiée dans nature Il a maintenant été révélé que ce processus chimique naturel est sensible à la plus petite quantité de lumière possible – une Photon.

Cette découverte améliore notre compréhension actuelle des organismes vivants Photosynthèse Il contribuera à répondre aux questions sur le fonctionnement de la vie à la plus petite des échelles, là où la physique quantique et la biologie se rencontrent.

« De nombreux travaux ont été réalisés, tant théoriquement qu’expérimentalement, dans le monde entier pour tenter de comprendre ce qui se passe après l’absorption des photons. Mais nous avons réalisé que personne ne parlait de la première étape », a déclaré Graham Fleming, co-auteur principal de l’étude. bioscientifique senior au Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Laboratory) et professeur de chimie à l’Université de Californie à Berkeley : « C’était encore une question qui nécessitait une réponse détaillée. »

Dans leur étude, Fleming, co-auteur principal Birgitta Wally, chercheuse principale dans le domaine des sciences de l’énergie au Berkeley Lab, et leurs groupes de recherche montrent qu’un seul photon peut en effet initier la première étape de la photosynthèse chez les bactériophages photogéniques. Étant donné que tous les organismes photosynthétiques utilisent des processus similaires et partagent un ancêtre évolutif, l’équipe est convaincue que la photosynthèse des plantes et des algues fonctionne de la même manière. « La nature a inventé une astuce très astucieuse », a déclaré Fleming.

Comment les systèmes vivants utilisent-ils la lumière ?

En se basant sur l’efficacité avec laquelle la photosynthèse convertit la lumière solaire en molécules riches en énergie, les scientifiques ont longtemps émis l’hypothèse qu’un seul photon suffisait pour déclencher une réaction, car les photons transmettent de l’énergie aux électrons qui échangent ensuite leur place avec les électrons de différentes molécules. à la formation des composants primaires pour la production de polysaccharides. Après tout, le soleil ne fournit pas beaucoup de photons – seuls un millier de photons atteignent une molécule de chlorophylle par seconde lors d’une journée ensoleillée – et pourtant ce processus se produit de manière fiable sur toute la planète.

Cependant, « personne n’a jusqu’à présent étayé cette hypothèse par des preuves », a déclaré le premier auteur Quanwei Lee, chercheur postdoctoral conjoint qui développe de nouvelles techniques expérimentales avec la lumière quantique dans les groupes Fleming et Wiley.

Pour compliquer les choses, de nombreuses recherches qui ont révélé des détails infimes sur les étapes ultérieures de la photosynthèse ont été menées en stimulant des molécules photosynthétiques avec des impulsions laser puissantes et ultrarapides.

Le co-auteur principal Graham Fleming, à gauche, et le premier auteur Quanwye Lee à proximité de certains des équipements utilisés dans leur expérience de pointe. Crédit : Henry L/Fleming Lab

« Il existe une énorme différence d’intensité entre les lasers et la lumière du soleil : un faisceau laser focalisé typique est un million de fois plus lumineux que la lumière du soleil », a déclaré Lee. Même si vous pouviez produire un faisceau faible avec une intensité qui correspond à celle de la lumière solaire, cela reste très différent en raison des propriétés quantiques de la lumière appelées statistiques des photons. Il a expliqué que parce que personne n’a vu un photon absorbé, nous ne savons pas quelle différence cela fait ni de quel type de photon il s’agit. « Mais tout comme nous devons comprendre chaque particule pour construire un ordinateur quantique, nous devons étudier les propriétés quantiques des systèmes vivants pour vraiment les comprendre et créer des systèmes artificiels efficaces générant des carburants renouvelables. »

La photosynthèse, comme d’autres réactions chimiques, a d’abord été comprise sous forme globale – ce qui signifie que nous connaissions les entrées et les sorties globales, et à partir de là, nous pouvions déduire à quoi ressemblaient les interactions entre les molécules individuelles. Dans les années 1970 et 1980, les progrès technologiques ont permis aux scientifiques d’étudier directement les produits chimiques individuels au cours des réactions. Aujourd’hui, les scientifiques commencent à explorer prochaine frontièrel’individu atomeet l’échelle des particules subatomiques, en utilisant des techniques plus avancées.

De l’hypothèse au fait

Concevoir une expérience permettant l’observation de photons individuels impliquait de rassembler une équipe unique de théoriciens et d’expérimentateurs combinant des outils de pointe issus de l’optique quantique et de la biologie. « C’était nouveau pour les personnes qui étudient la photosynthèse, car ils n’utilisent généralement pas ces outils, et c’était nouveau pour les personnes spécialisées en optique quantique, car nous ne pensons généralement pas à appliquer ces techniques à des systèmes biologiques complexes », a déclaré Wally. , qui a participé à l’étude. Il est également professeur de physique chimique à l’Université de Californie à Berkeley.

Les scientifiques ont créé une source de photons qui génère une seule paire de photons grâce à un processus appelé conversion paramétrique automatique. Au cours de chaque impulsion, le premier photon – le « héraut » – était détecté par un détecteur très sensible, qui confirmait que le deuxième photon était en route vers l’échantillon collecté de structures moléculaires absorbant la lumière provenant des bactéries photosynthétiques. Un autre détecteur de photons a été installé à proximité de l’échantillon pour mesurer le photon de faible énergie émis par la structure photovoltaïque après avoir absorbé le deuxième photon « héraut » de la paire d’origine.

La structure absorbant la lumière utilisée dans l’expérience appelée LH2 a été étudiée de manière approfondie. On sait que les photons à une longueur d’onde de 800 nm sont absorbés par un anneau de 9 molécules de bactériochlorophylle dans LH2, transmettant de l’énergie à un deuxième anneau de 18 molécules de bactériochlorophylle qui peuvent émettre des photons fluorescents à 850 nm. Dans la bactérie d’origine, l’énergie des photons continue à être transmise aux molécules suivantes jusqu’à ce qu’elle soit utilisée pour démarrer la chimie de la photosynthèse. Mais dans l’expérience, lorsque les LH2 ont été séparées des autres machines cellulaires, la détection du photon de 850 nanomètres a servi de signe final de l’activation du processus.

« Si vous n’avez qu’un seul photon, il est très facile de le perdre. C’était la principale difficulté de cette expérience et c’est pourquoi nous utilisons le Photon Herald », a déclaré Fleming. Les scientifiques ont analysé plus de 17,7 milliards d’événements de détection du Photon Herald et 1,6 million d’événements de détection. événements de détection Fluorescence photonique pour garantir que les observations ne peuvent être attribuées qu’à l’absorption d’un seul photon et qu’aucun autre facteur n’influence les résultats.

« Je pense que la première chose est que cette expérience a montré qu’on peut faire des choses avec des photons individuels. C’est un point très important », a déclaré Wally. « La prochaine chose est, que pouvons-nous faire ?  » Notre objectif est d’étudier le transfert d’énergie de photons individuels à travers le complexe photosynthétique aux échelles temporelles et spatiales les plus courtes possibles.

Référence : « Absorption et émission de photons uniques à partir du complexe photosynthétique naturel » par Quanwei Li, Kaydren Orcutt, Robert L. Cook, Javier Sabines-Chesterking, Ashley L. Tong, Gabriela S. Schlau-Cohen, Xiang Zhang, Graham R. Fleming et K. . Birgitta Wally, 14 juin 2023, nature.
est ce que je: 10.1038/s41586-023-06121-5