Décryptage du mécanisme pour booster la photosynthèse des microalgues

On connaît tous l’impact négatif qu’a le CO2 sur le climat. Paradoxalement, sa concentration dans l’atmosphère n’est pas suffisante pour que la Rubisco, l’enzyme fixatrice du CO2 chez les plantes, fonctionne à plein régime. Résultat : la photosynthèse ne se déroule pas de manière optimale. Dans le milieu aquatique et en particulier chez les algues, cette déficience en CO2 est encore plus marquée, car celui-ci diffuse beaucoup plus lentement dans l’eau que dans l’air. Pour pallier ce manque, les algues ont développé un mécanisme permettant d’accroître la concentration intracellulaire en CO2, appelé le CCM (CO2 concentrating mechanism). Alors que jusqu’ici, on ignorait le processus fournissant l’énergie nécessaire à ce mécanisme, des chercheurs du CEA et du Carnegie Institution de Stanford aux États-Unis viennent de le décrypter. Leurs travaux viennent d’être publiés dans la revue Nature.

« Chez les algues, l’énergie de la photosynthèse, qui est convertie par des photosystèmes dans les chloroplastes, sert à la fois à concentrer le CO2 et à le fixer grâce à la Rubisco à travers des réactions biochimiques, pour transformer le carbone minéral du CO2 en carbone organique sous forme de sucres », explique Gilles Peltier, directeur de recherche au CEA. « Grâce à nos travaux, nous avons découvert comment se répartit cette énergie entre ces deux mécanismes. »

Il existe plusieurs voies permettant de transformer l’énergie solaire au cours de la photosynthèse. La principale est celle consistant à générer un courant d’électrons, appelé transfert linéaire d’électrons, afin d’obtenir un pouvoir réducteur. D’autres voies existent, notamment celle appelée le transfert cyclique d’électrons. Elle ne produit pas de pouvoir réducteur, mais conduit à la formation d’un gradient de protons. « Nous avons mis en évidence que cette voie, dite alternative, est utilisée dans le mécanisme du CCM, ajoute le chercheur. Elle produit un flux cyclique d’électrons et sert à établir un gradient de protons à travers la membrane photosynthétique. »

Concrètement, étant donné que l’accumulation du CO2 ne peut se produire que s’il se trouve sous sa forme ionique et hydratée, il est d’abord transformé en bicarbonate (HCO3–) et transporté de manière active à travers les membranes biologiques. Pour qu’il soit ensuite fixé par la Rubisco, il doit être reconverti en CO2. C’est à ce niveau-là que le gradient de protons intervient pour fournir l’énergie à cette reconversion.

Transférer le mécanisme de concentration du CO2 chez les plantes cultivées

Ce travail de recherche a aussi permis de mettre en évidence la source d’énergie nécessaire aux transporteurs pour acheminer le bicarbonate jusqu’à la Rubisco. « Dans une cellule végétale, il y a différents organites(1), notamment les chloroplastes où a lieu la photosynthèse et les mitochondries où a lieu la respiration, précise Gilles Peltier. Nous avons démontré qu’une partie de l’énergie produite par les chloroplastes est transformée par les mitochondries pour fournir l’énergie dont ont besoin les transporteurs. »

Ces découvertes permettent de mieux comprendre les bases fondamentales de la capture efficace du CO2 par les algues. Elles ouvrent aussi la voie au transfert d’un CCM fonctionnel chez les plantes cultivées dans le but d’améliorer leur productivité. Plusieurs laboratoires à travers le monde tentent d’y parvenir, notamment au Royaume-Uni, aux États-Unis ou en Australie. « Pour l’instant, ils ont travaillé sur les aspects biochimiques liés aux transporteurs, mais pas du tout sur leurs besoins énergétiques, observe le chercheur. C’est très important de prendre en compte cette énergie, qui normalement sert à la photosynthèse et à la fixation du CO2, mais qui doit aussi être dirigée vers le CCM. Il faut qu’elle soit distribuée de manière optimale entre ces deux mécanismes. »

Ces travaux de recherche ont été réalisés en laboratoire en utilisant comme modèle d’étude l’algue verte Chlamydomonas. Ils doivent se poursuivre en milieu naturel, afin d’observer si ce même processus de fourniture d’énergie au CCM fonctionne, et plus largement dans le but de mieux comprendre l’impact de ce mécanisme sur la fixation du carbone par les océans.

(1) »Compartiment » d’une cellule