🔬 Journal de labo #8 - Premier article publié !

Ca fait une éternité ! Presque un an après mon dernier post ici, j'ai décidé de m'y remettre, au moins ponctuellement pour un évènement précis, et très important. Récemment (Mai 2025), mon premier article scientifique concernant mes recherches au Japon a été publié (l'article est disponible en accès libre dans la revue Nature Communications ici). Cette publication me permet de partager ENFIN avec vous, de façon claire et totalement transparente, ce que j'essaie de vous expliquer depuis le début de cette série de journal de labo. En effet, maintenant que l'article est publié et accessible à tous, je n'ai donc plus aucune crainte que mes recherches soient utilisées par un autre laboratoire et qu'ils publient avant moi. Dans cet épisode du journal de labo, je vais essayer de vous expliquer de façon vulgarisée mon article, ce qui devrait normalement faire écho à tout ce que je vous ai raconté jusqu'à maintenant.

Le photosystème II, complexe protéique central de la photosynthèse (introduction)

Vous l'aviez peut être deviné grâce à mes précédents posts, mais le sujet exact sur lequel je travaillais était donc le photosystème II d'une algue appartenant au groupe haptophyte, appelée C. roscoffensis. Le photosystème II est un acteur central de la photosynthèse, et réalise l'hydrolyse de l'eau pour produire du dioxygène (c'est l'unique système protéique sur Terre capable de produire cette réaction, rien que ça !). Pour réaliser cette réaction, il utilise l'énergie lumineuse, qu'il capte grâce à d'autres protéines que l'on appelle "antennes". Ces antennes sont organisées autour du photosystème II, et permettent d'acheminer l'énergie vers le centre du complexe. Depuis plusieurs années maintenant, des chercheurs essaient de résoudre des structures protéiques de complexes photosystème II - antennes (que l'on va abréger "PSII-LHCII" par la suite, et plus spécifiquement "PSII-FCPII" dans l'espèce que j'étudie) de différentes espèces, afin de comprendre comment chaque espèce achemine l'énergie lumineuse vers le photosystème II. C'est également mon cas, et je me suis intéressé à une espèce d'algue particulière, issue du groupe des haptophytes.

Les haptophytes sont des algues dérivées d'algues rouges. Parmi les haptophytes, on trouve un sous groupe d'algues appelées coccolithophores, qui jouent un rôle central dans les océans. Les coccolithophores convertissent, à eux seuls, environ 10% du dioxyde de carbone marin, et forment des coquilles servant de nutriments à des espèces de planctons vivant en eaux profondes. Ils sont donc essentiels au maintien de l'équilibre du dioxyde de carbone dans les océans, et également à la biodiversité de nombreuses espèces de planctons.

Dans mon article, j'ai résolu par microscopie cryo-électronique la première structure de PSII-LHCII (donc de complexe de photosystème II avec ses antennes) de coccolithophore, qui est aussi la première structure de PSII-LHCII au sein des haptophytes. La structure montre une organisation d'antennes jamais observée auparavant, et donc un système d'acheminement d'énergie unique vers le photosystème II. J'ai aussi découvert une nouvelle protéine faisant partie du coeur du photosystème II (on appelle ça une sous-unité), qui avait été identifiée auparavant mais pour laquelle aucune séquence d'acides aminés n'avait été déterminée. Pour faire simple, c'est comme si un nouvel animal avait été découvert, mais que seule sa silhouette était connue. Maintenant, je sais exactement quel est son visage, quelles sont ses caractéristiques, le nombre de pattes etc. Dans ce journal de labo, je vais revenir sur ces trois nouveautés principales : d'abord l'organisation des antennes, ensuite les chemins de transfert d'énergie lumineuse, puis enfin la nouvelle sous-unité du photosystème II que j'ai découvert.

Une organisation d'antennes inédite

Tout d'abord, voici la structure globale du complexe PSII-FCPII que j'ai résolu :

Les deux images montrent le complexe via une vue du dessus (image de gauche), et une vue de côté (image de droite) (si vous voulez observer les images en meilleure qualité, n'hésitez pas à consulter l'article sur le site de la revue directement ici). Comme vous le voyez, il y a une symmétrie dans le complexe, représentée par un axe tracé en diagonale : chaque protéine colorée est présente en un second exemplaire, situé à l'opposé sur la figure, représenté en gris. Le photosystème II est un dimère symmétrique, et les antennes du complexes sont organisées en deux groupes de 6, de part et d'autre du dimère.

Il y a beaucoup d'informations ! Essayons d'aller à l'essentiel. La première information importante à retenir est que les antennes (FCPII) peuvent être divisées en deux groupes : les FCPII monomériques et les FCPII dimériques. Les FCPII monomériques sont en bleu clair et vert foncé (FCPII-2 et FCPII-3), et se situent proche du coeur du photosystème (c'est à dire toutes les protéines dénommées Psb, ainsi que les protéines D1, D2, CP47 et CP43). Les FCPII dimériques, elles, sont associés de façon étroites à une autre FCPII. C'est le cas ici de FCPII-1a qui est associée à FCPII-4, et de FCPII-1b qui est associée à FCPII-5. C'est la première surprise car normalement, dans les autres espèces d'algues étudiées jusqu'à maintenant, les antennes sont souvent retrouvées sous forme trimérique, comme indiqué ici :

Cette figure insiste également sur le fait que l'organisation d'antennes observée dans ma structure est nouvelle, et ne ressemble en rien à ce qui a été décrit jusqu'à maintenant. Etant donné le caractère nouveau de cette organisation, la majorité du contenu de l'article a consisté à décrire au niveau atomique les interactions entre chaque antenne, mais aussi entre le photosystème II et les antennes. Je vous épargne cette partie là qui est très lourde et qui, au final, se résume en une phrase : j'ai regardé dans le détail atomique comment chaque antenne se positionne au sein du complexe.

Ceci étant dit, il reste à savoir maintenant comment l'énergie lumineuse est acheminée vers le centre du photosystème au sein de ce complexe. Car oui, comme l'organisation des antennes est différente, les chemins de transfert d'énergie lumineuse le sont très probablement aussi.

Un transfert d'énergie lumineuse déséquilibré

Pour estimer les chemins de transfert d'énergie, il ne faut pas regarder les antennes elles-même, mais plutôt leurs pigments. L'énergie lumineuse est en réalité captée par des pigments qui sont incorporés dans les antennes, puis chacun de ces pigments va transférer l'énergie à un autre pigment proche. De proche en proche, l'énergie va de cette façon atteindre le coeur du photosystème II. L'efficacité avec laquelle l'énergie est transférée dépend principalement de deux paramètres : la distance, et l'orientation. Pour qu'il y ait transfert d'énergie, les pigments doivent être suffisamment proches dans l'espace, et se faire face avec un certain angle. Pour avoir une idée des chemins de transfert d'énergie dans mon complexe PSII-FCPII, j'ai donc affiché tous les pigments de ma structure :

En dehors de la description des transferts dans le détail, on distingue une information importante : dans ce complexe, la plupart des transferts (indiqués par des flèches sur la figure) mènent vers le "bas" du complexe selon la vue du dessus, c'est à dire vers la sous-unité CP47. Plus précisément, la plupart des transferts passent par l'antenne FCPII-2 (représentée en bleu clair ici), avant d'atteindre le coeur du photosystème II (gris). Selon la structure, si l'on considère un seul côté du complexe, 5 des 6 antennes FCPII participent à un transfert menant au coeur du photosystème via FCPII-2. Seule l'antenne FCPII-3 (en vert) est isolée, et peut potentiellement transférer son énergie au coeur mais de façon beaucoup moins efficace. Par rapport aux PSII-LHCII des autres espèces, ce transfert d'énergie "déséquilibré" est aussi une caractéristique unique de ce complexe PSII-FCPII. Enfin, passons maintenant à la dernière nouveauté soulignée dans cet article : la sous-unité Psb36.

Psb36, une nouvelle sous-unité du photosystème II

Lorsque j'ai obtenu la structure, j'ai pu voir dans la carte de densité électronique (n'hésitez pas à jeter un coup d'oeil aux anciens épisodes de journal de labo pour avoir un petit rappel !) une région qui n'apparaissait pas sur les autres structures de PSII-LHCII. J'ai donc fouillé un peu dans la littérature, et j'ai trouvé effectivement quelques structures rapportant une protéine dans cette région (ou plutôt sous-unité dans ce cas précis). Seulement, à cause de la faible qualité des données, les chercheurs n'ont pas pu résoudre complètement la structure de cette sous-unité. Dans mon cas, j'ai obtenu une carte de très grande qualité, ce qui m'a permis non seulement de placer la sous-unité de façon précise, mais également de déterminer sa composition en acides aminés. Grâce à ça, j'ai pu fouiller dans mes données de séquençage (je reviendrai peut être sur cette étape là dans un autre article dédié, car c'est plutôt compliqué à expliquer), et j'ai retrouvé la séquence de la sous-unité en question, que nous avons baptisé Psb36 (car la précédente sous-unité découverte s'appelait Psb35, tout simplement). Voici une figure résumant ses caractéristiques :

Brièvement, les principales informations indiquées dans cette figure sont les suivantes. D'abord, la partie (a) montre l'adéquation entre la carte de densité électronique et la structure de la protéine, ce qui atteste de la qualité des données et de la confiance avec laquelle j'ai pu déterminer la structure. La partie (b) est une recherche de séquence étendue à toutes les espèces d'algues existantes, qui m'a permis de trouver 3 protéines similaires à Psb36 chez d'autres espèces, toutes étant des haptophytes. La partie (c) est une description atomique des principales interactions entre Psb36 et les sous-unités environnantes (antennes et photosystème II). Enfin, la partie (d) est une comparaison des structures des autres Psb36 identifiées chez d'autres espèces, qui montre une position et une structure très proche dans toutes les espèces comparées. Ces résultats décrivent pour la première fois cette sous-unité qui, selon ses interactions, jouerait un rôle à la fois dans la formation du coeur du photosystème II, mais aussi dans la régulation des transferts d'énergie lumineuse entre les antennes et le coeur du photosystème II.

Conclusion

Dans cet article, j'ai pu obtenir la première structure de PSII-FCPII issue d'haptophyte, qui sont des organismes importants dans la conversion du dioxyde de carbone marin dans les océans. Si l'on doit retenir 3 choses de cet article, je dirais que ce sont les suivantes :

• L'organisation des antennes au sein du complexe est unique par rapport aux autres espèces précédemment décrites
• Cette organisation unique implique des transferts d'énergie lumineuse également très différents
• Une nouvelle sous-unité du photosystème II a été découverte, Psb36, et jouerait un rôle dans la formation du coeur du photosystème II mais aussi dans la régulation des transferts d'énergie

C'est tout pour aujourd'hui ! Je suis content d'avoir pu partager ces résultats avec vous, et j'espère en avoir d'autres très bientôt à vous communiquer. Merci d'avoir lu !

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