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ChlamyStation : Collection de mutants de photosynthèse de Chlamydomonas

PredAlgo : Prédiction d'adressage intracellulaire chez les algues

IBPC : Institut de Biologie Physico-Chimique

LabEx DYNAMO

Fonction et mise en place de l’appareil photosynthétique : de la lumière à la vie.

   La photosynthèse, principale voie d’injection d’énergie dans le cycle de la biosphère et seule source d’oxygène, a permis le développement de la vie sur terre et joue un rôle essentiel dans le maintien des grands équilibres géochimiques et biologiques à la surface de la planète. Les plantes, les microalgues ou les cyanobactéries en sont le siège et convertissent l’énergie lumineuse en une différence de potentiel électrochimique qui alimente leur croissance. Le laboratoire étudie la mise en place et la fonction de l’appareil photosynthétique chez les végétaux.

   La conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique s'effectue au sein de membranes intracellulaires qui réunissent, dans une savante organisation supramoléculaire, un ensemble de protéines et de cofacteurs. Ces complexes multimoléculaires réalisent à la fois la capture de l'énergie lumineuse et, à travers une chaîne de transfert d'électrons, l'évacuation des charges produites par les réactions photochimiques primaires. Cet ensemble de réactions d’oxydo-réduction conduit à la formation d'oxygène, de réducteurs puissants et d'ATP. Réducteurs et ATP permettent l’incorporation du carbone atmosphérique dans des sucres, source d’énergie métabolisable par toute cellule biologique. Pour étudier la fonction de cet appareil photosynthétique, le laboratoire utilise principalement – mais pas exclusivement - un organisme photosynthétique unicellulaire, l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii qui autorise une approche génétique, essentielle pour effectuer des perturbations contrôlées du processus photosynthétique. Le laboratoire a constitué une collection de mutants de photosynthèse de Chlamydomonas unique au monde (ChlamyStation) et a développé une instrumentation spectroscopique originale autorisant l’étude d’une grande variété d’organismes incluant les feuilles, les eucaryotes unicellulaires ou les bactéries.

 

english version
    Criblage de mutants de la fonction photosynthétique par imagerie de fluorescence résolue en temps.
La partie supérieure de la figure illustre l’évolution, en fonction du temps d’illumination, de l’intensité de la fluorescence émise par une plantule sauvage (en rouge) et une plantule dont la chaîne photosynthétique est dépourvue de cytochrome b6f (en noir). La partie inférieure de la figure illustre un crible analogue permettant d’identifier, parmi plusieurs colonies de Chlamydomonas reinhardtii, des souches caractérisées par des profils temporels d’émission de fluorescence différents (A) et donc affectées, à des degrés divers, dans la fonction photosynthétique.
   

 

Comment fonctionne l’appareil photosynthétique?

   Les membranes photosynthétiques comportent un nombre limité de protéines participant à la conversion de l’énergie lumineuse dont on peut étudier la fonction après leur purification biochimique, mais aussi in situ dans des membranes purifiées, ou encore in vivo, dans le contexte du métabolisme cellulaire. Le laboratoire s’efforce de travailler à ces différents niveaux d’intégration, en apportant toutefois une attention particulière aux études in vivo, qui seules permettent l'accès à l’ensemble des régulations intracellulaires de la photosynthèse qui lui donnent sa pleine dimension physiologique. Ces études requièrent un dispositif instrumental approprié pour détecter des signaux fonctionnels dans des conditions de concentration sub-optimales des protéines de la photosynthèse maintenues dans un environnement particulièrement complexe. S’agissant d’une fonction déclenchée par l’absorption de lumière, le chercheur possède une outil unique en biologie, l’utilisation d’éclairs lumineux de très courte durée qui permettent de suivre l’ensemble des changements d’absorption photoinduits sur une gamme de temps se déroulant de la femtoseconde aux minutes. On peut ainsi étudier le transfert d’électrons au sein d’une protéine ou entre protéines différentes, dans un environnement intracellulaire variable qui induit des régulations de l’activité photosynthétique. Cette approche permet par exemple de mettre en évidence deux modalités distinctes de la photosynthèse des plantes, l’une dévolue à la fixation du carbone atmosphérique, l’autre à la production exclusive d’ATP, effecteur de nombreuses réactions endergoniques dans les cellules biologiques. Elle autorise, par ailleurs, la caractérisation des stratégies mises en œuvres par les différents organismes photosynthétiques pour répondre et s’acclimater aux fluctuations physiologiques auxquelles leur environnement les soumet inscrivant ainsi l’étude du processus photosynthétique dans le cadre conceptuel plus large de l’écologie fonctionnelle.

 

Comment se met en place l’appareil photosynthétique ?

   Les protéines photosynthétiques dont le laboratoire étudie la fonction, sont des ensembles multimoléculaires associant plusieurs chaînes polypeptidiques distinctes et divers molécules telles que les pigments - caroténoïdes et chlorophylles - et les cofacteurs susceptibles de donner et de recevoir des électrons, comme les hèmes ou les centres Fer-Soufre. La mise en place de ces protéines oligomériques dans les membranes du chloroplaste, organite intracellulaire spécialisé dans la photosynthèse chez les eucaryotes végétaux, requiert la participation de deux génomes distincts, le génome nucléaire et le génome du chloroplaste, chacun codant pour une partie des sous-unités constitutives des protéines photosynthétiques. Le chloroplaste est le descendant d’une cyanobactérie ancestrale qui a colonisé une cellule hôte. Les outils de l’expression génétique chloroplastique sont donc largement d’origine procaryote, mais les modalités de l’expression des gènes de l’organite sont originales, en particulier parce qu’elles mobilisent un ensemble complexe de facteurs protéiques, codés par le noyau, qui gouvernent les étapes post-transcriptionnelles de l’expression des gènes du chloroplaste. Le laboratoire étudie les relations entre transcription et traduction dans le chloroplaste, en particulier en cherchant à élucider les modes d’action de ces facteurs nucléaires participant à l’expression génétique de l’organite. L’assemblage des différentes sous-unités d’origine nucléaire et chloroplastique dans une protéine photosynthétique fonctionnelle représente un autre axe de recherche majeur. L’accumulation stœchiométrique, dans le chloroplaste, des différentes sous-unités d’une même protéine est assurée par des régulations de leur traduction et de leur dégradation dont le mécanisme et les effecteurs sont étudiés au laboratoire.

 

    La photosynthèse est assurée par des complexes multimoléculaires réalisant à la fois la capture de l'énergie lumineuse et, à travers une chaîne de transfert d'électrons, l'évacuation des charges produites par les réactions photochimiques primaires.    
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