DS0206 - Efficacité énergétique des procédés et des systèmes

Photolyse de l’eau par le Photosystème II étudiée par spectroscopie infrarouge lointain – PS2FIR

Photolyse de l’eau par des organismes photosynthétiques

Le mécanisme d’oxydation de l’eau en oxygène moléculaire au niveau du complexe à manganèse et calcium (Mn4CaO5) du Photosystème II a été étudié par spectroscopie infrarouge dans le domaine IR lointain. La structure interne du complexe et ses interactions avec des molécules d’eau ont été sondés.

Mécanisme de photolyse de l’eau en oxygène moléculaire lors de la photosynthèse, étudié par spectroscopie infrarouge dans le domaine IR lointain

L’utilisation de l’énergie solaire pour produire des substances énergétiques et non polluantes est un défi majeur pour l’avenir. Les plantes et les cyanobactéries ont développé une enzyme, le Photosystème II (PSII), capable de scinder les molécules d’eau en oxygène moléculaire, protons et électrons riches en énergie en utilisant l’énergie solaire. Le projet PS2FIR a pour but de mieux comprendre ce mécanisme de photolyse de l’eau qui constitue un excellent modèle pour le développement de photo-catalyseurs non polluants pouvant utiliser des molécules d’eau comme substrat et produire de l’oxygène comme seul « déchet ».<br />Le site actif du PSII est un complexe Mn4CaO5 où l’oxydation de l’eau se produit après la succession de quatre réactions photochimiques. De façon remarquable, le mécanisme minimise l’énergie nécessaire à l’oxydation de l’eau, en combinant des réactions de transfert de protons avec les réactions de transfert d'électrons. Des données de cristallographie et des calculs de chimie théorique ont révélé la structure d’un état relaxé du complexe et permis des prédictions mécanistiques. Cependant de nombreuses questions sont ouvertes et les approches expérimentales pour y répondre sont rares et nécessitent des développements très pointus. Ce projet propose d’exploiter le domaine IR lointain pour sonder les propriétés des molécules d'eau et l’insertion de l’oxygène dans le complexe, ainsi que les changements d'état de spin du Mn et les mouvements de proton lors de l’avancement du processus.

Les propriétés du complexe Mn4CaO5 du PSII et ses interactions avec son environnement peuvent être étudiés par ses modes vibrationnels qui absorbent dans le domaine infrarouge lointain. La fréquence et l’intensité de ces modes sont sensibles à la structure, à l’état d’oxydation du complexe et aux interactions avec ses ligands. Ce projet nous a permis d’optimiser un spectromètre infrarouge commercial pour accéder à ce domaine spectral et enregistrer les spectres différentiels entre deux états redox du complexe Mn4CaO5, induits par photochimie en utilisant un laser impulsionnel nanoseconde. Nous avons optimisé une roue porte échantillons permettant de mesurer plusieurs échantillons ainsi qu’un contrôle précis de la température et de l’humidité des échantillons et automatisé l’accumulation de spectres pendant des expériences d’environ 12 heures. Une partie des expériences a nécessité la brillance du rayonnement synchrotron. L’équipe de la ligne AILES du synchrotron SOLEIL a développé un système cryogénique pour étudier la transition de spin du complexe induite par irradiation à 760 nm ainsi qu’une roue porte échantillons thermostatable entre -10 °C et +30°C. Ces nouveaux dispositifs sont mis à disposition de tous les utilisateurs de la ligne AILES. Sur 4 ans, ce projet a bénéficié de 8 projets (d’une semaine de rayonnement synchrotron chacun) sélectionnés par le comité de programme de SOLEIL et de 15 semaines de temps « in-house », avec les sources internes ou le rayonnement synchrotron sur la ligne AILES.

Ces dispositifs nous ont permis d’obtenir des spectres de très bonne qualité malgré la taille très faible des bandes. Les spectres infrarouge caractéristiques de la photo-oxydation du complexe Mn4CaO5 du PSII de l’état stable à l’obscurité S1 vers l’état oxydé S2 ont révélé les vibrations d’éléments distincts du complexe grâce au marquage isotopique de l’eau (2H2O, H218O, Illustration) et au remplacement du calcium par le strontium dans le site. La transition S2 Low Spin (S=1/2) vers l’état S2 Haut Spin (S=5/2), impliquée dans le cycle de l’enzyme, a été sondée par l’utilisation d’un mutant et par photochimie infrarouge à température cryogénique. Les signatures spectrales d’un oxygène incorporé dans le complexe après un cycle catalytique et d’une molécule d’eau nous permettent de discuter les modèles théoriques proposés pour la réaction d’oxydation de l’eau.
Les travaux effectués démontrent l’intérêt du

Les travaux effectués démontrent l’intérêt du domaine IR lointain pour déchiffrer le cycle catalytique du PSII. Ce travail est une base pour explorer les différentes étapes du cycle catalytique et l’évolution des signaux clefs identifiés. De plus, nous engageons une collaboration pour exploiter nos résultats expérimentaux avec une analyse théorique des modes normaux du complexe, préciser l’interprétation des résultats et mieux comprendre le mécanisme catalytique. A terme la compréhension du mécanisme servira de modèle pour des systèmes bio-inspirés.

Ce projet a donné lieu à 4 publications et 3 autres sont en préparation notamment concernant les résultats de photochimie entre les états S1 et S2 du PSII et la photochimie IR. Les équipes 2&3 ont étudié les répercussions d’une mutation ponctuelle V185T sur les états de spin du Mn4CaO5 du PSII : Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetics (2018), 1859, 1259–1273.
L’équipe 2 a publié deux articles sur la transition de spin en S2 Boussac et al. (2018) BBA Bioenerg. 1859, 1259-1273 et les températures de transition S2HS vers S3 et les implications mécanistiques Boussac A. (2019) BBA Bioenerg. 1860,508-518.
Lors de l’optimisation du spectromètre IRTF, l’équipe 1 a effectué l’étude vibrationnelle d’une ferrédoxine purifiée par l’équipe 2 qui s’est révélé avoir des propriétés remarquables dans le transfert d’électrons photosynthétique Motomura et al. (2019) BBA Bioenerg. 148084. doi: 10.1016/j.bbabio.
Lors de l’optimisation du spectromètre IRTF, l’équipe 1 a effectué l’étude vibrationnelle d’une ferrédoxine purifiée par l’équipe 2 qui s’est révélé avoir des propriétés remarquables dans le transfert d’électrons photosynthétique Motomura et al. (2019) BBA Bioenerg. 148084. doi: 10.1016/j.bbabio.
Le projet PS2FIR est un projet de recherche fondamentale coordonné par Rainer Hienerwadel. Il associe 3 équipes, l’équipe 1 de l’Institut de Bioscience et Biotechnologie d’Aix-Marseille (BIAM), l’équipe 2 de l’I2BC du CEA Saclay et l’équipe 3 du synchrotron SOLEIL. Le projet a commencé en octobre 2015 et a duré 48 mois. Il a bénéficié d’une aide ANR de 461 556 € pour un coût global de l’ordre de 2167433 €. Il a notamment permis la formation d’une doctorante et financé un stage postdoctoral de deux ans.

L’utilisation de l’énergie solaire pour la production d’hydrogène en utilisant l’eau comme source d’électrons et de protons est une voie prometteuse pour produire de l’énergie renouvelable. Les plantes et les cyanobactéries ont développé une enzyme membranaire, le Photosystème II, capable de scinder les molécules d’eau en oxygène moléculaire, protons et électrons riches en énergie en utilisant l’énergie solaire. Le site actif de l’enzyme est un complexe Mn4CaO5 où l’oxydation de l’eau se produit après la succession de quatre réactions photochimiques. Ce mécanisme est remarquable car il minimise l’énergie nécessaire à l’oxydation de l’eau, en combinant des réactions de transfert de protons avec les réactions de transfert d'électrons. Le photosystème II est donc un modèle fondamental pour le développement de systèmes bio-inspirés visant à convertir l’énergie solaire en carburant tel que l'hydrogène.

La récente structure tridimensionnelle du Photosystème II a haute résolution a donné une structure précise d'un état stable du complexe Mn4CaO5. De plus, la combinaison de travaux théoriques et des résultats obtenus par de nombreuses approches spectroscopiques très performantes a permis de proposer plusieurs mécanismes réactionnels possibles pouvant conduire à l’oxydation de l’eau. Ces travaux ont révélé la valence des atomes de Mn au cours du cycle photochimique, les étapes qui font intervenir la fixation des molécules d'eau substrat, l'importance de certains acides aminés dans le mécanisme catalytique. Ils ont également proposé des mécanismes de transfert de proton impliquant de larges réseaux de liaison hydrogène. En dépit de ces progrès récents, des questions clefs restent à résoudre. Celles-ci concernent en particulier la position et les propriétés des molécules d'eau substrat, la formation de la molécule d'oxygène au cours de la dernière étape, ainsi que les mécanismes de relaxation du complexe Mn4CaO5 impliquant les changements d'état de spin et les mouvements de protons, essentiels pour abaisser l'état énergétique du système.

Le projet PS2FIR contribuera à répondre à ces questions grâce aux compétences complémentaires de 3 équipes : Eq. 1, R. Hienerwadel & C. Berthomieu, UMR 7265; Eq. 2, A. Boussac UMR 9198; Eq. 3, J.B. Brubach & P. Roy, Synchrotron SOLEIL. Les réactions photochimiques et des transitions de spin au sein du complexe Mn4CaO5 seront analysées grâce à l'optimisation d'approches de spectroscopie différentielle dans le domaine infrarouge lointain jusqu'à 10 cm-1. Cette approche permettra de sonder directement l’état redox des ions Mn, les conformations du Mn4CaO5 et les interactions Mn-O et Ca-O durant le processus catalytique. Un intérêt particulier sera porté sur l'exploitation du domaine spectral inférieur à 300 cm-1, pour l’identification des modes de libration des molécules d’eau associées au complexe, au cours du cycle catalytique. Pour surmonter la difficulté à exploiter les faibles bandes attendues dans ce domaine spectral, des montages seront développés et optimisés pour étudier plusieurs échantillons en parallèle et pour étudier les transitions de spin grâce à un système de T-jump. Nous bénéficierons également de la brillance du rayonnement synchrotron sur la ligne AILES du synchrotron SOLEIL. Une enzyme très robuste sera purifiée à partir de la cyanobactérie thermophile Thermosynechoccocus elongatus, et les conditions optimisées pour à isoler les caractéristiques spectrales correspondant aux différents états redox et états de spin du système, avec pour but ultime la compréhension du mécanisme d’oxydation de l’eau et de la formation de la molécule d'oxygène.

Coordination du projet

Rainer Hienerwadel (Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

SOLEIL SYNCHROTRON SOLEIL
UMR9198 CEA / DSV / Institut de Biologie et Technologies de Saclay (iBiTec-S)
UMR7265 (CNRS-CEA-Aix-Marseille Université) Biologie Végétale et Microbiologie Environnementales

Aide de l'ANR 461 556 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2015 - 36 Mois

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