La photosynthèse est le moteur de toute vie sur Terre. Des processus complexes sont nécessaires pour la conversion du dioxyde de carbone et de l’eau, alimentée par la lumière du soleil, en sucre et en oxygène riches en énergie. Ces processus sont pilotés par deux complexes protéiques, les photosystèmes I et II. Dans le photosystème I, la lumière du soleil est utilisée avec une efficacité de près de 100 %. Ici un réseau complexe de 288 chlorophylles joue le rôle décisif.
Une équipe dirigée par la chimiste du LMU Regina de Vivie-Riedle a maintenant caractérisé ces chlorophylles à l’aide de calculs chimiques quantiques de haute précision, une étape importante vers une compréhension globale du transfert d’énergie dans ce système. Cette découverte pourrait aider à exploiter son efficacité dans des systèmes artificiels à l’avenir.
Les chlorophylles du photosystème I captent la lumière du soleil dans un complexe d’antennes et transfèrent l’énergie à un centre de réaction. Là, l’énergie solaire est utilisée pour déclencher un processus redox, c’est-à-dire un processus chimique par lequel des électrons sont transférés. Le rendement quantique du photosystème I est de presque 100 %, ce qui signifie que presque chaque photon absorbé conduit à un événement redox dans le centre de réaction.
Simulation en conditions naturelles
« Bien que le transfert d’énergie compliqué à l’intérieur du photosystème ait été étudié pendant des décennies, il n’y a pas de consensus jusqu’à aujourd’hui sur le mécanisme exact », explique de Vivie-Riedle. Pour approfondir leurs connaissances, les chercheurs ont simulé l’excitation lumineuse de toutes les chlorophylles dans un modèle de photosystème I intégré dans une membrane lipidique. Une méthode multiréférence très précise a été utilisée pour calculer les excitations électroniques. Par rapport aux études antérieures, cette approche permet de décrire le photosystème I sur la base d’une méthodologie de pointe. Les calculs compliqués ont été rendus possibles par le supercalculateur du Leibniz Supercomputing Center.
Les résultats de l’étude, présentés sur la couverture de la revue Sciences chimiques, révèlent des « chlorophylles rouges » qui absorbent la lumière à des énergies légèrement inférieures à leurs voisines en raison des effets électrostatiques ambiants. En conséquence, leur spectre d’absorption est décalé vers le rouge. De manière analogue, les chercheurs ont également identifié des barrières énergétiques entre le complexe d’antennes et le centre de réaction, entre autres. « Cela semble surprenant à première vue car il n’y a pas de gradient évident le long duquel l’énergie est transférée du complexe d’antennes au centre de réaction », explique l’auteur principal Sebastian Reiter.
Les fluctuations surmontent les barrières énergétiques
Dans des conditions physiologiques, cependant, l’ensemble du photosystème I est soumis à des fluctuations thermiques qui surmontent ces barrières énergétiques, car les énergies relatives des chlorophylles changent les unes par rapport aux autres. De cette façon, de nouvelles voies vers le centre de réaction peuvent constamment s’ouvrir, tandis que d’autres se ferment. Ceci, selon la thèse centrale des auteurs, pourrait être la clé de la haute efficacité du photosystème I.
« Notre simulation atomistique de ces processus permet une compréhension microscopique du système et de sa dynamique dans son environnement naturel, complémentaire aux approches expérimentales », conclut Regina de Vivie-Riedle, également membre du pôle d’excellence e-conversion.
L’un des objectifs du pôle est de transférer un jour l’efficacité des photocatalyseurs naturels vers des systèmes hybrides nano-bio artificiels pour des applications telles que la production d’hydrogène comme vecteur énergétique ou la conversion du monoxyde de carbone en carburant. Cela nécessite une meilleure compréhension du mécanisme de transfert d’énergie. Avec leurs résultats sur le photosystème I, les scientifiques ont franchi une étape importante vers la réalisation de cet objectif.
Plus d’information:
Sebastian Reiter et al, Fluctuations de l’énergie du site thermique dans le photosystème I : nouvelles perspectives des calculs MD/QM/MM, Sciences chimiques (2023). DOI : 10.1039/D2SC06160K