Coupler la photosynthèse et la respiration

Publié par Redbran le 21/07/2015 à 00:00
Source: CNRS
Dans le cadre d'une collaboration internationale, une équipe française a mis à jour les mécanismes cellulaires à l'origine de l'impressionnante capacité photosynthétique d'organismes unicellulaires marins: les diatomées. Cherchant les raisons pour lesquelles cet organisme domine la communauté des phytoplanctons, les scientifiques ont découvert chez les diatomées une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) inattendue entre la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus...) et la respiration (Dans le langage courant, la respiration désigne à la fois les échanges gazeux (rejet de dioxyde de carbone, CO2, appelé parfois de façon...). Ce processus bioénergétique permet de mieux comprendre l'efficacité des diatomées à convertir l'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.) lumineuse en matière organique (La matière organique (MO) est la matière carbonée produite en général par des êtres vivants , végétaux, animaux, ou micro-organismes. Il s'agit par exemple des glucides, protides et lipides....) et pourrait inspirer des développements prometteurs en biotechnologie (L’OCDE définit les biotechnologies comme "l’application de la science et de la technologie aux organismes vivants à d’autres matériaux vivants ou non vivants, pour la...). Ces résultats, impliquant le CEA, 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).), l'Inra, l'Inserm, l'École Normale Supérieure, les Universités Joseph Fourier, Paris-Sud, Pierre et Marie Curie (Marie Curie (née Maria Skłodowska le 7 novembre 1867 à Varsovie, Pologne - 4 juillet 1934 à Sancellemoz,...), et la société Fermentalg, ont été publiés sur le site de Nature le 13 juillet.

Si les végétaux terrestres assurent l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) photosynthétique sur les continents, dans les océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004 et produit en 2009.), ce sont des organismes unicellulaires microscopiques qui réalisent la photosynthèse: le phytoplancton. Dominant cette communauté, les diatomées (constituées de milliers d'espèces marines) sont à l'origine de la chaîne alimentaire (Une chaîne alimentaire est une suite d'êtres vivants dans laquelle chacun mange celui qui le précède. Le premier maillon d'une chaîne est très souvent un végétal...) de ces milieux. Elles capturent et séquestrent en profondeur le CO2 atmosphérique et assurent environ 20 % de la photosynthèse planétaire (Un planétaire désigne un ensemble mécanique mobile, figurant le système solaire (le Soleil et ses planètes) en tout ou partie....). Comment les diatomées ont-elles pu atteindre ce niveau et dominer la communauté des phytoplanctons ?

Dans le cadre d'une collaboration internationale (Belgique, France, Etats-Unis, Italie), une équipe française impliquant le CEA, le CNRS, l'Inra, l'Inserm, l'École Normale Supérieure, les Universités Joseph Fourier, Paris-Sud, Pierre et Marie Curie, et la société Fermentalg a décrypté, au niveau moléculaire, les caractéristiques du processus photosynthétique chez les diatomées.

Le mécanisme photosynthétique des diatomées décrypté La fixation du CO2 par la photosynthèse requiert la production, dans le chloroplaste, d'énergie (molécule d'ATP) et de pouvoir réducteur (molécule de NADPH) et ceci dans des proportions bien définies. Or, chez les diatomées, les mécanismes moléculaires à l'œuvre pour gérer le rapport ATP / NADPH passent par des échanges soutenus entre le chloroplaste et la mitochondrie (Une mitochondrie (du grec mitos, fil et chondros, grain) est un organite à l'intérieur d'une cellule eucaryote, dont la taille est de l'ordre du micromètre. Son rôle physiologique est primordial, puisque c'est dans les...), le compartiment cellulaire dédié à la respiration. Ce processus permettant d'optimiser la photosynthèse a certainement contribué au succès écologique des diatomées, dans toutes les mers (Le terme de mer recouvre plusieurs réalités.) du globe.

Le mécanisme photosynthétique des diatomées décrypté

La fixation du CO2 par la photosynthèse requiert la production, dans le chloroplaste, d'énergie (molécule d'ATP) et de pouvoir réducteur (molécule de NADPH) et ceci dans des proportions bien définies. Or, chez les diatomées, les mécanismes moléculaires à l'œuvre pour gérer le rapport ATP / NADPH passent par des échanges soutenus entre le chloroplaste et la mitochondrie, le compartiment cellulaire dédié à la respiration. Ce processus permettant d'optimiser la photosynthèse a certainement contribué au succès écologique des diatomées, dans toutes les mers du globe


Figure: Représentation d'une diatomée et des mécanismes cellulaires couplant la photosynthèse et la respiration chez cet organisme. Le chloroplaste, qui produit de l'ATP et du NADPH grâce à la lumière, est accolé à la mitochondrie, siège de la respiration cellulaire. Les deux compartiments cellulaires peuvent ainsi échanger les molécules d'ATP ou de NADPH qu'elles produisent, optimisant la fixation de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) chez la diatomée.
© IBENS CNRS-ENS
La découverte de ce mécanisme de couplage entre la photosynthèse et la respiration chez les diatomées permet d'envisager des applications biotechnologiques inédites: augmenter la production de biomasse ( En écologie, la biomasse est la quantité totale de matière (masse) de toutes les espèces vivantes présentes dans un milieu naturel donné. Dans le domaine de l'énergie, le...) pour produire des molécules d'intérêt, en jouant sur l'utilisation simultanée de lumière (pour la photosynthèse), et de sources carbonées (pour la respiration).

Références: “Energetic coupling between plastids and mitochondria drives CO2 assimilation in diatoms”, Benjamin Bailleu et al., Nature, juillet 2015, DOI:10.1038/nature14599
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