Comment un microbe du sol pourrait accélérer la photosynthèse artificielle

Les plantes dépendent d’un processus appelé fixation du carbone – transformer le dioxyde de carbone de l’air en biomolécules riches en carbone – pour leur existence même. C’est tout l’intérêt de la photosynthèse et la pierre angulaire du vaste système imbriqué qui fait circuler le carbone à travers les plantes, les animaux, les microbes et l’atmosphère pour maintenir la vie sur Terre.

Mais les champions de la fixation du carbone ne sont pas les plantes, mais les bactéries du sol. Certaines enzymes bactériennes effectuent une étape clé dans la fixation du carbone 20 fois plus rapidement que les enzymes végétales, et comprendre comment elles le font pourrait aider les scientifiques à développer des formes de photosynthèse artificielle pour convertir les gaz à effet de serre en carburants, engrais, antibiotiques et autres produits.

Aujourd’hui, une équipe de chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie, de l’Université de Stanford, de l’Institut Max Planck de microbiologie terrestre en Allemagne, du Joint Genome Institute (JGI) du DOE et de l’Université de Concepción au Chili a découvert comment une enzyme bactérienne – une molécule machine qui facilite les réactions chimiques – accélère pour réaliser cet exploit.

Plutôt que de saisir les molécules de dioxyde de carbone et de les attacher aux biomolécules une à la fois, ils ont découvert que cette enzyme se compose de paires de molécules qui fonctionnent en synchronisation, comme les mains d’un jongleur qui lance et attrape simultanément des balles, pour faire le travail plus rapidement. . Un membre de chaque paire d’enzymes s’ouvre largement pour attraper un ensemble d’ingrédients de réaction tandis que l’autre se referme sur ses ingrédients capturés et effectue la réaction de fixation du carbone ; ensuite, ils changent de rôle dans un cycle continu.

Un seul point de « colle » moléculaire maintient chaque paire de mains enzymatiques ensemble afin qu’elles puissent alterner l’ouverture et la fermeture de manière coordonnée, a découvert l’équipe, tandis qu’un mouvement de torsion aide à faire entrer et sortir les ingrédients et les produits finis des poches où les réactions prend place. Lorsque la colle et la torsion sont présentes, la réaction de fixation du carbone est 100 fois plus rapide que sans elles.

« Cette enzyme bactérienne est le fixateur de carbone le plus efficace que nous connaissions, et nous avons trouvé une explication claire de ce qu’elle peut faire », a déclaré Soichi Wakatsuki, professeur au SLAC et à Stanford et l’un des principaux responsables de l’étude, qui a été publié dans Sciences centrales de l’AEC cette semaine.

« Certaines des enzymes de cette famille agissent lentement mais de manière très spécifique pour produire un seul produit », a-t-il déclaré. « D’autres sont beaucoup plus rapides et peuvent fabriquer des blocs de construction chimiques pour toutes sortes de produits. Maintenant que nous connaissons le mécanisme, nous pouvons concevoir des enzymes qui combinent les meilleures caractéristiques des deux approches et faire un travail très rapide avec toutes sortes de matières premières. « 

Améliorer la nature

L’enzyme étudiée par l’équipe fait partie d’une famille appelée énoyl-CoA carboxylases/réductases, ou ECR. Il provient de bactéries du sol appelées Kitasatospora setae, qui, en plus de leurs capacités de fixation du carbone, peuvent également produire des antibiotiques.

Wakatsuki a entendu parler de cette famille d’enzymes il y a une demi-douzaine d’années par Tobias Erb de l’Institut Max Planck de microbiologie terrestre en Allemagne et Yasuo Yoshikuni du JGI. L’équipe de recherche d’Erb travaillait au développement de bioréacteurs pour la photosynthèse artificielle afin de convertir le dioxyde de carbone (CO2) de l’atmosphère en toutes sortes de produits.

Aussi importante que soit la photosynthèse pour la vie sur Terre, a déclaré Erb, elle n’est pas très efficace. Comme toutes les choses façonnées par l’évolution au fil des éons, c’est aussi bon que nécessaire, le résultat d’une construction lente sur les développements précédents mais sans jamais inventer quelque chose d’entièrement nouveau à partir de zéro.

De plus, a-t-il dit, l’étape de la photosynthèse naturelle qui fixe le CO2 de l’air, qui repose sur une enzyme appelée Rubisco, est un goulot d’étranglement qui enlise toute la chaîne des réactions photosynthétiques. Ainsi, l’utilisation d’enzymes ECR rapides pour effectuer cette étape, et leur conception pour aller encore plus vite, pourrait apporter une grande amélioration de l’efficacité.

« Nous n’essayons pas de faire une copie conforme de la photosynthèse », a expliqué Erb. « Nous voulons concevoir un processus beaucoup plus efficace en utilisant notre compréhension de l’ingénierie pour reconstruire les concepts de la nature. Cette » photosynthèse 2.0 « pourrait avoir lieu dans des systèmes vivants ou synthétiques tels que les chloroplastes artificiels – des gouttelettes d’eau en suspension dans l’huile. »

Portraits d’une enzyme

Wakatsuki et son groupe avaient enquêté sur un système connexe, la fixation de l’azote, qui convertit l’azote gazeux de l’atmosphère en composés dont les êtres vivants ont besoin. Intrigué par la question de savoir pourquoi les enzymes ECR étaient si rapides, il a commencé à collaborer avec le groupe d’Erb pour trouver des réponses.

Hasan DeMirci, un associé de recherche dans le groupe de Wakatsuki qui est maintenant professeur adjoint à l’Université de Koc et chercheur au Stanford PULSE Institute, a dirigé l’effort au SLAC avec l’aide d’une demi-douzaine de stagiaires d’été du SLAC qu’il a supervisés. « Nous en entraînons six ou sept chaque année, et ils étaient intrépides », a-t-il déclaré. « Ils sont venus avec l’esprit ouvert, prêts à apprendre, et ils ont fait des choses incroyables. »

L’équipe du SLAC a prélevé des échantillons de l’enzyme ECR et les a cristallisés pour examen aux rayons X à la source avancée de photons du laboratoire national d’Argonne du DOE. Les rayons X ont révélé la structure moléculaire de l’enzyme – la disposition de son échafaudage atomique – à la fois seule et lorsqu’elle est attachée à une petite molécule auxiliaire qui facilite son travail.

D’autres études aux rayons X au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC ont montré comment la structure de l’enzyme se déplaçait lorsqu’elle se fixait à un substrat, une sorte d’établi moléculaire qui assemble les ingrédients pour la réaction de fixation du carbone et stimule la réaction.

Enfin, une équipe de chercheurs du Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC a mené des études plus détaillées sur l’enzyme et son substrat au laser à rayons X à électrons libres SACLA du Japon. Le choix d’un laser à rayons X était important car il leur permettait d’étudier le comportement de l’enzyme à température ambiante, plus proche de son environnement naturel, avec presque aucun dommage par rayonnement.

Pendant ce temps, le groupe d’Erb en Allemagne et le groupe du professeur agrégé Esteban Vöhringer-Martinez à l’Université de Concepción au Chili ont mené des études biochimiques détaillées et des simulations dynamiques approfondies pour donner un sens aux données structurelles recueillies par Wakatsuki et son équipe.

Les simulations ont révélé que l’ouverture et la fermeture des deux parties de l’enzyme n’impliquent pas seulement de la colle moléculaire, mais également des mouvements de torsion autour de l’axe central de chaque paire d’enzymes, a déclaré Wakatsuki.

« Cette torsion est presque comme un rachet qui peut pousser un produit fini ou tirer un nouvel ensemble d’ingrédients dans la poche où la réaction a lieu », a-t-il déclaré. Ensemble, la torsion et la synchronisation des paires d’enzymes leur permettent de fixer le carbone 100 fois par seconde.

La famille des enzymes ECR comprend également une branche plus polyvalente qui peut interagir avec de nombreux types de biomolécules pour produire une variété de produits. Mais comme ils ne sont pas maintenus ensemble par de la colle moléculaire, ils ne peuvent pas coordonner leurs mouvements et fonctionnent donc beaucoup plus lentement.

« Si nous pouvons augmenter le taux de ces réactions sophistiquées pour créer de nouvelles biomolécules », a déclaré Wakatsuki, « ce serait un saut significatif dans le domaine ».

Des plans statiques aux films fluides

Jusqu’à présent, les expériences ont produit des instantanés statiques de l’enzyme, des ingrédients de la réaction et des produits finaux dans diverses configurations.

« Notre expérience de rêve », a déclaré Wakatsuki, « serait de combiner tous les ingrédients au fur et à mesure qu’ils circulent dans le trajet du faisceau laser à rayons X afin que nous puissions observer la réaction se dérouler en temps réel. »

L’équipe a en fait essayé cela à SACLA, a-t-il dit, mais cela n’a pas fonctionné. « Les molécules de CO2 sont vraiment petites et elles se déplacent si vite qu’il est difficile de saisir le moment où elles se fixent au substrat », a-t-il déclaré. « De plus, le faisceau laser à rayons X est si puissant que nous ne pouvions pas conserver les ingrédients suffisamment longtemps pour que la réaction ait lieu. Lorsque nous avons appuyé fort pour le faire, nous avons réussi à briser les cristaux. »

Une prochaine mise à niveau à haute énergie du LCLS résoudra probablement ce problème, a-t-il ajouté, avec des impulsions qui arrivent beaucoup plus fréquemment – ​​un million de fois par seconde – et peuvent être ajustées individuellement à la force idéale pour chaque échantillon.

Wakatsuki a déclaré que son équipe continue de collaborer avec le groupe d’Erb, et qu’elle travaille avec le groupe de distribution d’échantillons LCLS et avec des chercheurs des installations de microscopie électronique cryogénique (cryo-EM) SLAC-Stanford pour trouver un moyen de faire fonctionner cette approche.