Comprendre les transferts d'énergie lors de la photosynthèse

Publié par Adrien le 02/06/2021 à 09:00
Source: CNRS INP
A l'aide de trois pigments manipulés par microscopie à effet tunnel, des chercheurs et des chercheuses étudient les transferts d'énergie entre molécules en imitant la photosynthèse des végétaux.

La photosynthèse permet aux végétaux de transformer l'énergie solaire (L'énergie solaire est l'énergie que dispense le soleil par son rayonnement, directement ou de...) en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) chimique nécessaire à leur croissance. Ce mécanisme est réalisé par un assemblage complexe de molécules organiques, les pigments, ayant pour but de collecter, transporter et transformer l'énergie solaire. Les transferts d'énergie successifs se font par sauts entre molécules voisines, mais également via des phénomènes collectifs, potentiellement cohérents, impliquant simultanément un plus grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) de pigments. Mieux comprendre ces effets nécessite de décortiquer ces assemblages de pigments, afin d'étudier séparément le rôle de chaque unité active dans la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et...).


Figure: Schéma de l'expérience où la pointe d'un microscope à effet tunnel (en gris) est utilisée pour exciter un assemblage de trois pigments proches de ceux impliqués dans la photosynthèse des végétaux. L'excitation générée dans le pigment (Un pigment est une substance colorée, naturelle ou artificielle, d'origine minérale ou...) bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs...) est transférée, séquentiellement, jusqu'au pigment rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait...) où l'énergie est transformée en photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) (en haut). Image de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...) hyper-résolue des trois pigments (en bas). (Crédit: Guillaume (Guillaume est un prénom masculin d'origine germanique. Le nom vient de Wille, volonté et Helm,...) Schull, IPCMS)

Dans cette étude, en adoptant une approche dite "bottom-up", les chercheurs et les chercheuses utilisent des pigments modèles isolés les uns des autres, qu'ils réassemblent ensuite de sorte à former les premières bases fonctionnelles capables de reproduire les mécanismes de transfert d'énergie intervenant dans la photosynthèse. Ces travaux ont été menés par une équipe de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Univ. de Strasbourg) associée à une équipe de l'Institut Franche-Comté électronique mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes...) thermique (La thermique est la science qui traite de la production d'énergie, de l'utilisation de...) et optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) - sciences et technologies (FEMTO-ST, CNRS/COMUE UBFC) et ils sont parus dans Nature Chemistry.

Trois pigments différents sont ainsi déposés par évaporation (L'évaporation est un passage progressif de l'état liquide à l'état gazeux. Elle est différente...) sur une surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) en très faible quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...), afin de disposer de molécules éloignées les unes des autres. Un microscope à effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir...) permet de visualiser chacun des pigments, puis de les manipuler un à un, de sorte à former des structures proches des briques élémentaires observées dans les systèmes photosynthétiques naturels. Un premier pigment, dit donneur, absorbe une excitation. Un second joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) le rôle d'intermédiaire qui, selon sa nature, augmente ou réduit l'efficacité du transfert d'énergie. Un troisième pigment, accepteur, transforme cette énergie en photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...).

Dans l'expérience, le microscope à effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de...) est utilisé pour émettre un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...) afin de générer une excitation locale d'un des pigments, ce qui permet de reproduire le mécanisme d'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) d'un photon par un pigment de la plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la...). L'énergie reçue par l'accepteur est convertie en photons plutôt qu'en énergie chimique. La réaction correspond ainsi à une photosynthèse à l'envers, la capture (Une capture, dans le domaine de l'astronautique, est un processus par lequel un objet céleste, qui...) d'un électron amenant à la libération d'un photon, mais les transferts d'énergie s'opèrent de la même façon.

Cette approche permet de contrôler la distance et l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) entre les pigments avec une précision proche de la distance séparant deux atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) et les chercheurs ont ainsi pu mettre en avant le rôle joué par des interactions dans le mécanisme de transfert d'énergie. Elles sont soit de longue portée, de type dipôle-dipôle, soit de courte portée, ces dernières relevant d'un mécanisme, dit d'échange, propre à la physique quantique (La physique quantique est l'appellation générale d'un ensemble de théories physiques...). Cette étude montre également que, selon sa nature chimique, le pigment intermédiaire peut jouer un rôle de relais actif de l'excitation, amplifier le transfert d'énergie entre deux molécules sans directement intervenir dans le processus, ou partiellement le bloquer.

Ainsi, en utilisant des briques élémentaires similaires à celles utilisées par la plante pour transporter et convertir l'énergie solaire, les chercheurs ont mis au point (Graphie) une plateforme pour reproduire les mécanismes fins de la photosynthèse et, dans un futur proche, les élucider.

Référence:
Energy funnelling within multichromophore architectures (Architectures est une série documentaire proposée par Frédéric Campain et Richard Copans,...) monitored with subnanometre resolution.
S. Cao, A. Rosławska, B. Doppagne, M. Romeo, M. Féron, F. Chérioux, H. Bulou, F. Scheurer, G. Schull,Nature Chemistry.Publié le 24 mai 2021.
DOI: 10.1038/s41557-021-00697-z
Article disponible sur la base d'archive ouvertes arXiv
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