Des chercheurs danois et suédois ont réalisé une « photosynthèse inverse ». Cette réaction dégrade des molécules organiques grâce à la lumière du soleil et pourrait notamment permettre de produire des biocarburants.
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[EN 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.

De nombreuses bactériesbactéries et champignonschampignons possèdent des enzymesenzymes qui dégradent la matièrematière végétale. Parmi ces enzymes, les LPMO (lytic polysaccaride monooxygenases) jouent un rôle majeur dans le renouvellement de la matière organique. Les substratssubstrats de ces enzymes sont par exemple la cellulose, l'hémicellulosehémicellulose, l'amidonamidon, la chitinechitine. Les LPMO sont des métalloenzymesmétalloenzymes qui oxydent les polysaccharidespolysaccharides les plus récalcitrants, mais elles ont besoin de donneurs d'électronsélectrons extracellulaires. Les processus oxydatifs sont essentiels pour dégrader la biomasse végétale.

Dans un article paru dans Nature Communications, des chercheurs de l'université de Copenhague (Danemark) et de l'école polytechnique Chalmers (Suède) ont testé l'effet de pigmentspigments photosynthétiques comme donneurs d'électrons. En combinant LPMO et pigments chlorophylliens, ils ont montré que l'activité des enzymes peut être favorisée par la lumièrelumière : les LPMO combinées avec les pigments, en présence d'agents réducteursagents réducteurs, et à la lumière, ont permis une activité catalytique cent fois meilleure, ce qui n'avait jamais été observé auparavant. Il était possible d'atteindre le même niveau d'oxydationoxydation en cent fois moins de temps que sans lumière.

Le système « enzymes LPMO + pigments » forme donc un système très réactifréactif à la lumière. Pour expliquer ce processus, les chercheurs proposent un modèle : le pigment excité par la lumière transfère un électron à l'enzyme LPMO ; l'électron réduit le cuivrecuivre de la LPMO qui active l'oxygèneoxygène et oxyde le polysaccharide. La forme oxydée des pigments est réduite par un réducteur de potentiel redox inférieur : dans le cas présent, l'acide ascorbiqueacide ascorbique ou la ligninelignine (cf. schéma ci-dessous).

Schéma du mécanisme proposé pour la photosynthèse inverse. La lumière excite le pigment (Chl), qui, dans son état excité, transfère un électron à l’enzyme LPMO. Cet électron réduit le cuivre de l'enzyme qui oxyde le polysaccharide. L’oxydation consomme de l’oxygène (O<sub>2</sub>), oxyde du carbone et produit de l’eau (H<sub>2</sub>O). © Cannella<em> et al.</em> 2016, <em>Nature Communications</em>

Schéma du mécanisme proposé pour la photosynthèse inverse. La lumière excite le pigment (Chl), qui, dans son état excité, transfère un électron à l’enzyme LPMO. Cet électron réduit le cuivre de l'enzyme qui oxyde le polysaccharide. L’oxydation consomme de l’oxygène (O2), oxyde du carbone et produit de l’eau (H2O). © Cannella et al. 2016, Nature Communications

Une réaction ultra-rapide grâce à la lumière du soleil

Pour l'un des auteurs, Klaus Benedikt Møllers, de l'université de Copenhague, « nous utilisons le terme de "photosynthèsephotosynthèse inverse" parce que les enzymes utilisent de l'oxygène atmosphérique et les rayons du soleilsoleil pour décomposer et transformer les liaisons carbonecarbone, dans les plantes entre autres choses, au lieu de construire des plantes et de produire de l'oxygène comme on le comprend généralement avec la photosynthèse ».

Grâce à cette méthode, il deviendrait plus facile de dégrader de longues moléculesmolécules de glucidesglucides en plus petites molécules, utilisables pour diverses applicationsapplications : production d'éthanol, de biogazbiogaz ou du méthanol. Ce procédé pourrait donc trouver des applications pour la conversion de biomassebiomasse en carburants ou en produits chimiques.

Sans la lumière du soleil, il faudrait des heures ou des jours pour aboutir à la même transformation. À la lumière du soleil, le processus est beaucoup plus rapide, comme l'explique David Cannella, de l'université de Copenhague : « La découverte signifie qu'en utilisant le soleil, nous pouvons produire des biocarburantsbiocarburants et produits biochimiques pour des choses comme les matières plastiquesplastiques - plus rapidement, à des températures plus basses et avec une meilleure efficacité énergétique. Certaines réactions, qui prennent actuellement 24 heures, peuvent être accomplies en seulement 10 minutes en utilisant le soleil ».

L'équipe ne sait pas si ce phénomène est répandu dans la nature mais plusieurs indices suggèrent que des champignons et des bactéries utilisent la photosynthèse inverse pour utiliser les nutrimentsnutriments et les sucressucres des plantes. Par exemple, une étude de 2015 a montré que les UVUV facilitent la dégradation de l'humushumus en climat méditerranéenclimat méditerranéen.