Les plantes convertissent la lumière en une forme d’énergie qu’elles peuvent utiliser – une molécule appelée adénosine triphosphate (ATP) – grâce à la photosynthèse. Il s’agit d’un processus complexe qui produit également du sucre, que la plante peut utiliser plus tard comme énergie, et de l’oxygène. Certaines bactéries qui vivent dans les couches exposées à la lumière des sources d’eau peuvent également convertir la lumière en ATP, mais le processus qu’elles utilisent est plus simple et moins efficace que la photosynthèse. Néanmoins, les chercheurs du Technion—Israel Institute of Technology trouvent maintenant que ce processus n’est pas aussi simple et limité qu’on le pensait auparavant.
Les rhodopsines sont les pompes à protons actionnées par la lumière que les bactéries utilisent pour produire de l’ATP. Alors que la photosynthèse est un processus qui implique plusieurs étapes et protéines, la rhodopsine effectue tout elle-même. Ce n’est pas plus efficace, mais c’est plutôt comme la différence entre un atelier médiéval et une usine moderne. Les rhodopsines sont activées par une molécule appelée « rétinienne », qui absorbe la lumière. Plus précisément, dans ces protéines, la rétine absorbe la lumière verte. Une molécule différente, une « antenne » caroténoïde, peut également lui permettre d’absorber la lumière bleue, augmentant ainsi la quantité d’énergie que la rhodopsine peut produire.
Cependant, ces antennes n’ont jusqu’à présent été trouvées que chez deux espèces de bactéries rares, alors que la moitié des bactéries vivant à la surface des océans et des lacs contient un gène de rhodopsine.
Pour l’étudiant diplômé Ariel Chazan, travaillant sous la direction du professeur Oded Béjà de la Faculté de biologie du Technion, cela semblait étrange. Être capable d’absorber la lumière dans la gamme bleue est avantageux, car la lumière bleue pénètre plus profondément dans l’eau. Et les caroténoïdes sont largement disponibles dans la nature. Se pourrait-il qu’un outil utile traîne et qu’aucune bactérie ne le ramasse ? M. Chazan a plutôt émis l’hypothèse que les antennes utilisées par de nombreuses bactéries n’ont pas encore été découvertes. Et il partit à leur recherche.
Comment trouver une molécule sans savoir exactement ce que l’on cherche ? M. Chazan est allé pêcher. Il a recueilli de l’eau du lac Kinneret et isolé des pompes à protons à rhodopsine connues. Puis il les a utilisés comme appâts pour pêcher des antennes potentielles dans la même eau. Les molécules qui se sont attachées aux rhodopsines et ont augmenté leur production d’énergie sous la lumière bleue étaient celles qu’il recherchait. Il en a trouvé beaucoup. De nombreuses variantes de molécules que les scientifiques ne connaissaient pas dans le contexte des rhodopsines, et que les microbes utilisaient apparemment pour générer plus d’énergie à partir de la lumière à laquelle ils étaient exposés.
C’est une chose que quelque chose se produise dans le lac Kinneret. Mais si la même chose se produit dans les océans du monde entier, c’est révolutionnaire. M. Chazan procéda donc aux mêmes expériences sur l’eau de l’océan. Il travaillait également pour prouver autre chose : que les molécules qu’il avait trouvées étaient des antennes de rhodopsine efficaces non seulement dans un tube à essai, mais aussi à l’intérieur des cellules vivantes. Toutes les expériences se sont révélées positives.
« Il s’agit de nouvelles connaissances sur les producteurs primaires sur terre – les organismes qui produisent de l’énergie disponible pour les êtres vivants à partir de sources d’énergie inorganiques. D’autres organismes les mangent et utilisent donc l’énergie qui est déjà dans le système. Nous avons donc découvert que plus d’énergie entre dans la chaîne alimentaire qu’on ne le savait auparavant », a déclaré M. Chazan, expliquant l’importance de sa découverte. La communauté scientifique s’accorde à dire que cette étude a des implications considérables, et elle a récemment été publiée dans Nature.
Le travail a été réalisé par une équipe internationale, comprenant des groupes du Japon, d’Espagne et d’Israël. La méthodologie de « pêche » utilisée par M. Chazan est ancienne, presque dépassée. « Les gens étaient un peu sceptiques quand je l’ai proposé », a-t-il déclaré.
« Mais j’aime appliquer des techniques existantes d’une manière qu’elles n’étaient pas utilisées auparavant. Nous ne devons pas oublier les anciens outils simplement parce qu’il y a quelque chose de plus nouveau et de plus brillant dans notre boîte à outils. Aller sur le terrain, voir ce que la nature nous donne, demande plus d’efforts que commander des kits propres produits industriellement et tout faire en laboratoire. Mais ces kits stériles sont plus éloignés de la nature que nous souhaitons étudier, et les choses se perdent dans la transition.
Plus d’information:
Ariel Chazan et al, Phototrophie par des pompes à rhodopsine contenant des antennes dans les milieux aquatiques, Nature (2023). DOI : 10.1038/s41586-023-05774-6