Des chercheurs ont reproduit la photosynthèse artificiellement

Feuille de tilleul

article paru sur futura planète le 14/5/2020

Le chloroplaste est un organite spécifique des cellules végétales et des algues. Il est le théâtre de la photosynthèse, l'ensemble des réactions biochimiques qui transforment le CO₂ en sucres. Des chercheurs ont construit un chloroplaste artificiel dans une petite goutte qui permet de contrôler la photosynthèse !

La photosynthèse est une série de réactions biochimiques complexes qui permet aux plantes et aux algues de synthétiser leurs molécules carbonées à partir de l'énergie du Soleil, de l'eau et du CO₂. À l'intérieur de la cellule, ce processus prend place dans les chloroplastes.

Dans une publication parue dans Science, une équipe franco-allemande du Max Planck Institute et d'une unité de recherche du CNRS a construit un chloroplaste artificiel, à l'interface entre les mondes biologiques naturels et synthétiques.

Voir aussiKézako : la photosynthèse, ou comment les plantes produisent de l'oxygène

Des chloroplastes mi-naturels mi-artificiels

Les réactions de la photosynthèse sont séparées en deux phases distinctes : la phase lumineuse, dont les réactions dépendent de la lumière du Soleil pour fonctionner, et une seconde phase indépendante de la lumière, appelée le cycle de Calvin. Lors de la phase lumineuse, la plante transforme l'énergie du Soleil en énergie chimique (ATP) par l'intermédiaire de la chlorophylle. L'énergie ainsi générée est utilisée dans le cycle de Calvin, durant lequel les molécules carbonées sont synthétisées.

Dans le chloroplaste artificiel, la phase lumineuse est assurée par les thylakoïdes extraits des épinards. Les thylakoïdes sont des petits sacs membranaires compris dans les chloroplastes qui contiennent la chlorophylle.

De son côté, la seconde phase est assurée par un module artificiel mis au point par les scientifiques : le cycle CETCH pour crotonyl-coenzyme A (CoA)/ethylmalonyl-CoA/hydroxybutyryl-CoA. Ce dernier contient 18 biocatalyseurs qui effectuent les réactions successives aboutissant aux molécules carbonées.

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Après leur production, les microgouttelettes sont placées dans une chambre d'observation. Sous le microscope, les scientifiques peuvent observer leur taille et leur fluorescence après stimulation, grâce au NADPH fluorescent. © Max Planck Institute for terrestrial Microbiology, Erb 

La photosynthèse dans une goutte

Les chercheurs ont ensuite combiné ces deux éléments dans un seul compartiment, des microgouttelettes d'environ 100 µm de diamètre. Cette partie a été réalisée par les chercheurs du CNRS grâce à une plateforme de microfluidique, capable de produire des microgouttelettes d'émulsion « eau dans huile » en série. Ces dernières remplacent la cellule dans cette construction artificielle. Les microgouttelettes sont disposées dans une chambre pour suivre leur activité.

Il ne reste plus qu'à s'assurer que ces mini-usines photosynthétiques fonctionnent ! Pour cela, les scientifiques ont suivi la quantité de NADPH fluorescent après stimulation. Le NADPH est l'un des produits de la phase lumineuse de la photosynthèse. Si le chloroplaste artificiel est opérationnel, la chambre devient fluorescente.

En modulant la composition de la microgouttelette et de la quantité de lumière qui stimule les thylakoïdes, les scientifiques affirment que leur chloroplaste artificiel converti le CO₂ cent fois plus vite que les précédentes constructions semi-synthétiques réalisées par l'équipe.