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

   La photosynthèse, seule source d’énergie renouvelable de la biosphère, 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. Elle se déroule chez les plantes, les microalgues ou les cyanobactéries qui utilisent la lumière comme source d’énergie pour 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 l’appareil photosynthétique, le laboratoire utilise principalement - mais pas exclusivement - un organisme photosynthétique unicellulaire, l’algue verte Chlamydomonas reinhardtii, qui offre la possibilité de conduire une approche génétique, essentielle pour effectuer des perturbations contrôlées des processus de photosynthèse. Le laboratoire a constitué une collection de mutants de photosynthèse de Chlamydomonas unique au monde et a développé une instrumentation spectroscopique originale pour étudier la photosynthèse sur des feuilles et des cellules entières.

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 à l’intérieur 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.

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