Cent millions d'atomes pour modéliser la photosynthèse
Publié par Adrien le 05/01/2020 à 08:00
Source: CNRS INC
Difficile de suivre tout ce qui se passe à l'intérieur des compartiments des cellules, mais les modèles atomiques permettent d'éclairer la question en décrivant rigoureusement l'ensemble des atomes et leurs interactions. Organisés autour d'un Laboratoire international associé (LIA) entre le CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) et l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment où...) de l'Illinois, des chercheurs ont conçu le plus grand modèle jamais simulé d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être...) biologique, avec 136 millions d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une...). Publiés dans la revue Cell, ces travaux décrivent le déroulement de la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus...) dans une bactérie qui tire son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs...).


Modèle atomique du chromatophore de la bactérie pourpre, organelle chargée de la photosynthèse.
© Singharoy et al.

Des simulations numériques permettent de résoudre les équations du mouvement sur un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...) d'atomes, décrits par les lois de la mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref, de tout ce qui produit ou transmet un...) classique. Une équipe de chercheurs, centrée autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres...) d'un laboratoire international associé (LIA) entre le CNRS et l'Université de l'Illinois, a conçu le plus grand modèle atomique connu, avec plus de 136 millions d'atomes dont le mouvement est observé à l'échelle de la microseconde. Les scientifiques ont reproduit l'organelle chargée de la photosynthèse dans la bactérie pourpre. Ce microorganisme primitif, présent depuis plusieurs milliards d'années, a été choisi pour sa relative simplicité et son extrême efficacité dans la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique. Même au fond de lacs, il survit avec seulement quelques photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent,...) par jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à...).

Ce modèle a permis aux chercheurs de remonter, à la milliseconde près, au déroulement moléculaire de la photosynthèse, en partant de l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une...) de la lumière à la production d'ATP, la source d'énergie commune à tous les êtres vivants connus. Les simulations, rendues possibles par un accès au supercalculateur Titan (Cliquez sur l'image pour une description) du département de l'énergie américain, ont montré la remarquable adaptabilité de l'organelle, notamment sa composition en protéines optimisée pour assurer une production adéquate d'ATP dans des environnements faiblement lumineux, et ce, sans pour autant que le système s'emballe en cas de forte exposition aux photons. Ce modèle atomique représente la culmination ($) de trente années de recherches sur la photosynthèse menées à l'université de l'Illinois dans le laboratoire de Klaus Schulten (1947-2016), cofondateur du laboratoire international associé (LIA) avec le CNRS. Il fournit un éclairage nouveau sur le phénomène de photosynthèse, en offrant le détail microscopique de celui-ci.

Les travaux publiés dans la revue Cell ont rassemblé les compétences de scientifiques du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs ou proches.) théoriques de Nancy (LPCT, CNRS/Université de Lorraine), de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, de l'Université d'État de l'Arizona à Tempe, de l'Université de Calgary, de l'Université de Sheffield et de l'Université Jacobs de Brême.

Références:
Abhishek Singharoy, Christopher Maffeo, Karelia H.Delgado-Magnero, David J.K.Swainsbury, Melih Sener, Ulrich Kleinekathöfer, John W.Vant, Jonathan Nguyen, Andrew Hitchcock, Barry Isralewitz, Ivan Teo, Danielle E. Chandler (Chandler est un nom de famille anglais qui provient d'un métier (le mot chandler désigne celui ou celle qui fabrique ou vend des bougies, cela peut aussi être du savon). Ce nom est porté...), John E.Stone, James C. Phillips, Taras V. Pogorelov, M. Ilaria Mallus, Christophe Chipot, Zaida Luthey-Schulten, Peter Tieleman, Neil Hunter, Emad Tajkhorshid, Aleksei Aksimentiev, Klaus Schulten. Atoms to Phenotypes: Molecular Design Principles of Cellular Energy Metabolism. Cell 179, 1-14. 2019.

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.021
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