Publié le 13 octobre 2025 07:52:00. Des chercheurs indiens et américains ont percé un mystère de longue date concernant les mécanismes initiaux de la photosynthèse, ouvrant la voie à la conception de systèmes de production d’énergie solaire plus efficaces.
- Une asymétrie dans le transfert d’électrons au sein du photosystème II (PSII) explique pourquoi un seul côté de cette structure protéique est fonctionnel.
- Des simulations avancées ont révélé une barrière énergétique plus élevée dans une branche du PSII, bloquant le flux d’électrons.
- Cette découverte pourrait inspirer la création de feuilles artificielles et de technologies solaires innovantes.
La photosynthèse, processus fondamental par lequel les plantes, les algues et certaines bactéries convertissent la lumière du soleil en énergie, reste un sujet de recherche complexe malgré des décennies d’études. Comprendre précisément comment se déroulent les premières étapes de ce processus est crucial pour développer des technologies capables de reproduire son efficacité.
Au cœur de la photosynthèse se trouve le photosystème II (PSII), un complexe protéique-pigment qui capte la lumière solaire et scinde les molécules d’eau, libérant de l’oxygène et générant des électrons. Le PSII est constitué de deux branches quasi-identiques, nommées D1 et D2, entourées de molécules de chlorophylle et de phéophytines, connectées à des transporteurs d’électrons appelés plastoquinones. En théorie, les électrons devraient circuler de manière symétrique à travers ces deux branches.
Cependant, les observations expérimentales ont toujours montré que le transfert d’électrons se produit exclusivement via la branche D1. Cette anomalie a longtemps déconcerté la communauté scientifique. « Malgré la symétrie structurelle entre les branches protéiques D1 et D2 du PSII, seule la branche D1 est fonctionnellement active », explique Aditya Kumar Mandal, doctorant à l’Institut indien des sciences (IISc) et premier auteur de l’étude.
Pour élucider ce mystère, une équipe de l’IISc et du California Institute of Technology (Caltech) a combiné des simulations de dynamique moléculaire, des analyses de mécanique quantique et la théorie de Marcus – un modèle primé par le prix Nobel qui décrit le transfert d’électrons. Ces outils leur ont permis de cartographier les flux d’énergie dans les deux branches du PSII. « Nous avons évalué l’efficacité du transfert d’électrons étape par étape dans les branches D1 et D2 », précise Shubham Basera, doctorant à l’IISc et co-auteur de l’étude.
Les résultats ont révélé que la branche D2 présente une barrière énergétique significativement plus élevée, rendant le transport des électrons défavorable. Plus précisément, le transfert d’électrons de la phéophytine à la plastoquinone dans D2 nécessite deux fois plus d’énergie d’activation que dans D1, une barrière que les électrons ne parviennent pas à franchir. Les chercheurs ont également simulé les caractéristiques courant-tension des deux branches, constatant que la résistance au mouvement des électrons dans D2 était deux ordres de grandeur supérieure à celle de D1.
Selon les chercheurs, cette asymétrie pourrait également être influencée par des différences subtiles dans l’environnement protéique autour du PSII et par la manière dont les pigments y sont intégrés. Par exemple, la chlorophylle de la branche D1 présente un état d’excitation à une énergie inférieure à celle de son homologue dans D2, ce qui lui confère une plus grande propension à attirer et à transférer des électrons.
Les chercheurs suggèrent que la modification de certains composants du PSII pourrait permettre de stimuler ou de réorienter le flux d’électrons. Par exemple, l’échange de la chlorophylle et de la phéophytine dans la branche D2 pourrait surmonter le blocage électronique, la chlorophylle nécessitant une énergie d’activation plus faible que la phéophytine.
« Notre recherche représente une avancée significative dans la compréhension de la photosynthèse naturelle », déclare Prabal K Maiti, professeur à l’IISc et co-auteur correspondant de l’étude. « Ces résultats pourraient aider à concevoir des systèmes photosynthétiques artificiels efficaces, capables de convertir l’énergie solaire en carburants chimiques, contribuant ainsi à des solutions d’énergie renouvelable innovantes et durables. »
Bill Goddard, professeur à Caltech et co-auteur correspondant, souligne l’importance de cette approche multidisciplinaire : « Il s’agit d’une belle combinaison de théories à différents niveaux pour résoudre un problème de longue date, aboutissant à un nouveau niveau de compréhension, mais laissant néanmoins des mystères à contester. »
Les résultats de cette étude ont été publiés dans la revue Proceedings of the National Academy of Sciences.