Cent millions d'atomes pour modéliser la photosynthèse

Difficile de suivre tout ce qui se passe à l'intérieur des compartiments des cellules, mais les modèles atomiques permettent d'éclairer la question en décrivant rigoureusement l'ensemble des atomes et leurs interactions. Organisés autour d'un Laboratoire international associé (LIA) entre le CNRS et l'Université de l'Illinois, des chercheurs ont conçu le plus grand modèle jamais simulé d'un objet biologique, avec 136 millions d'atomes. Publiés dans la revue Cell, ces travaux décrivent le déroulement de la photosynthèse dans une bactérie qui tire son énergie de la lumière.


Des simulations numériques permettent de résoudre les équations du mouvement sur un ensemble d'atomes, décrits par les lois de la mécanique classique. Une équipe de chercheurs, centrée autour d'un laboratoire international associé (LIA) entre le CNRS et l'Université de l'Illinois, a conçu le plus grand modèle atomique connu, avec plus de 136 millions d'atomes dont le mouvement est observé à l'échelle de la microseconde. Les scientifiques ont reproduit l'organelle chargée de la photosynthèse dans la bactérie pourpre. Ce microorganisme primitif, présent depuis plusieurs milliards d'années, a été choisi pour sa relative simplicité et son extrême efficacité dans la conversion de l'énergie lumineuse en énergie chimique. Même au fond de lacs, il survit avec seulement quelques photons par jour.

Ce modèle a permis aux chercheurs de remonter, à la milliseconde près, au déroulement moléculaire de la photosynthèse, en partant de l'absorption de la lumière à la production d'ATP, la source d'énergie commune à tous les êtres vivants connus. Les simulations, rendues possibles par un accès au supercalculateur Titan du département de l'énergie américain, ont montré la remarquable adaptabilité de l'organelle, notamment sa composition en protéines optimisée pour assurer une production adéquate d'ATP dans des environnements faiblement lumineux, et ce, sans pour autant que le système s'emballe en cas de forte exposition aux photons. Ce modèle atomique représente la culmination de trente années de recherches sur la photosynthèse menées à l'université de l'Illinois dans le laboratoire de Klaus Schulten (1947-2016), cofondateur du laboratoire international associé (LIA) avec le CNRS. Il fournit un éclairage nouveau sur le phénomène de photosynthèse, en offrant le détail microscopique de celui-ci.

Les travaux publiés dans la revue Cell ont rassemblé les compétences de scientifiques du Laboratoire de physique et chimie théoriques de Nancy (LPCT, CNRS/Université de Lorraine), de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, de l'Université d'État de l'Arizona à Tempe, de l'Université de Calgary, de l'Université de Sheffield et de l'Université Jacobs de Brême.

Références:
Abhishek Singharoy, Christopher Maffeo, Karelia H.Delgado-Magnero, David J.K.Swainsbury, Melih Sener, Ulrich Kleinekathöfer, John W.Vant, Jonathan Nguyen, Andrew Hitchcock, Barry Isralewitz, Ivan Teo, Danielle E. Chandler, John E.Stone, James C. Phillips, Taras V. Pogorelov, M. Ilaria Mallus, Christophe Chipot, Zaida Luthey-Schulten, Peter Tieleman, Neil Hunter, Emad Tajkhorshid, Aleksei Aksimentiev, Klaus Schulten. Atoms to Phenotypes: Molecular Design Principles of Cellular Energy Metabolism. Cell 179, 1-14. 2019.

https://doi.org/10.1016/j.cell.2019.10.021