Les bactéries, les algues et les plantes ont inventé six manières de réaliser la photosynthèse. Des biochimistes ont trouvé une septième voie, qui pourrait avoir de multiples applications. © Pop H, Flickr, CC by-nd 2.0

Planète

Une photosynthèse artificielle plus rapide que les plantes

ActualitéClassé sous :Environnement , développement durable , photosynthèse artificielle

Plus efficace que la photosynthèse naturelle des plantes pour fixer le carbone, ce « cycle CETCH », que viennent de présenter des biochimistes, fonctionne en éprouvette et synthétise des molécules organiques à partir du dioxyde de carbone. Pour l'instant, il ne puise pas son énergie dans la lumière mais il pourrait le faire, expliquent ces spécialistes de biologie synthétique, dans des micro-organismes génétiquement modifiés. Ils absorberaient du CO2, effectueraient des synthèses ou aideraient à produire de l'énergie. Mais cet horizon est très loin.

S'inspirer de la nature : c'est ce qu'ont fait des chercheurs qui ont analysé la photosynthèse chez neuf organismes, des archées, des bactéries et des plantes, représentant donc les trois branches du vivant. Tous utilisent une batterie d'enzymes pour mettre en branle une mécanique chimique compliquée utilisant l'énergie solaire pour fabriquer des molécules organiques (des chaînes de carbone) à partir du CO2 de l'air. Mais chacun a ses petits secrets de cuisine et l'efficacité n'est pas la même pour tous, d'autant que ces organismes sont adaptés à des milieux différents.

Les biochimistes ont jusqu'à présent découvert chez les organismes vivants six voies différentes pour mener à bien cette photosynthèse. L'équipe germano-suisse, menée par Thomas Schwander, de l'institut Max Planck, en Allemagne, a en quelque sorte cherché le meilleur en étudiant de près 40.000 enzymes connues pour œuvrer à la photosynthèse.

Les neuf organismes dont les enzymes ont été passées au crible. L'Homme y figure bien que ses cellules ignorent la photosynthèse. Les réactions chimiques qu'elle exploite sont en effet du même type que d'autres (effectuant des transferts d'électrons par exemple), qui existent aussi chez les animaux. L'image est extraite d'une vidéo où Thomas Erb explique, en anglais, les clés de ce travail. © Institut Max Planck

La photosynthèse artificielle veut imiter la vraie, en l'optimisant

Elle vient de présenter une septième voie, inconnue de la nature, dans la revue Science. Cette sorte de photosynthèse artificielle repose sur une chaîne de réactions cyclique catalysée par 17 enzymes, qui ont été synthétisées en modifiant plus ou moins leurs modèles naturels. L'ensemble ressemble au cycle de Calvin (une des six voies connues, du nom de son découvreur récompensé par le prix Nobel 1961), lequel réalise ce travail chez la plupart des végétaux, dans les chloroplastes nichés au sein de leurs cellules. Cette septième voie a été baptisée cycle CETCH par l'équipe, du nom de la série d'enzymes : crotonyle-CoA/éthylmalonyle-CoA/hydroxybutyryle-CoA. Il ne s'agit pas de photosynthèse puisque la lumière, ici, n'est pas la source d'énergie dans cette expérience de laboratoire. La question est celle de la fixation du carbone.

Comme chez les organismes vivants autotrophes exploitant la photosynthèse, ce mécanisme chimique repose sur la « coenzyme A » (ou CoA), une molécule clé du métabolisme, qui intervient aussi, par exemple, dans la respiration. En revanche, elle dédaigne la « Rubisco », une enzyme du cycle de Calvin que les chercheurs trouvent bien trop lente.

C'est en sélectionnant les bonnes enzymes, voire en les modifiant, et en prenant en compte le rendement global de toute la réaction, que les chercheurs ont pu augmenter la vitesse de cette photosynthèse artificielle. « Il ne suffit pas de trouver les bonnes enzymes. Il faut qu'elles forment une bonne équipe », résume Thomas Erb, l'un des trois auteurs, dans une vidéo (voir le lien dans la légende de l'image ci-dessus). Leur cycle CETCH est vingt fois plus rapide, affirme-t-il dans un communiqué.

La réaction a été réalisée in vitro et reste cantonnée au laboratoire et son échelle se limite à l'éprouvette. Mais les chercheurs, qui travaillent dans le domaine de la biologie synthétique, imaginent qu'un jour, par un procédé d'ingénierie ou par modification génétique de micro-organismes photosynthétiques, le cycle CETCH pourrait servir à absorber du dioxyde de carbone de l'atmosphère ou à mettre au point des procédés de photosynthèse artificielle. « Le métabolisme synthétique du futur » conclut Thomas Erb dans la vidéo.

Kézako : la photosynthèse, ou comment les plantes produisent de l'oxygène  Les humains et les animaux auraient bien du mal à survivre sans l’oxygène généré par les plantes. Ce gaz est le fruit d’une réaction chimique nommée photosynthèse, qui a lieu au cœur de ces végétaux. Unisciel et l’université de Lille 1 nous expliquent, au cours de cet épisode de Kézako, comment se déroule cette réaction.