Recréer les nano-anneaux collecteurs de lumière naturelle dans les bactéries photosynthétiques

Presque toute l’énergie chimique disponible pour les formes de vie terrestres peut être attribuée au soleil. En effet, les supramolécules récoltant la lumière (LH) (deux ou plusieurs molécules maintenues ensemble par des forces intermoléculaires) permettent aux plantes et à certains types de bactéries (généralement à la base de la chaîne alimentaire) de tirer parti de la lumière du soleil pour piloter la photosynthèse. Pour que ces supramolécules soient efficaces, elles doivent avoir plusieurs pigments, tels que la chlorophylle, disposés dans des structures spéciales qui varient selon les espèces.

Par exemple, les bactéries photosynthétiques vertes ont des antennes LH dans lesquelles molécules de chlorophylle forment des structures en spirale qui, à leur tour, s’agrègent en grandes supramolécules tubulaires. En revanche, les bactéries photosynthétiques violettes, telles que Rhodobacter sphaeroides, présentent différents types d’antennes LH dans lesquelles les pigments de chlorophylle sont disposés en architectures en forme d’anneaux. Alors que les chercheurs ont réussi à recréer les agrégats tubulaires de chlorophylle en laboratoire avec une approche d’auto-assemblage, leurs homologues en forme d’anneau n’ont pas été reproduits artificiellement jusqu’à présent.

Dans une étude récente publiée dans Communications chimiques, une équipe de scientifiques japonais a réussi à combler ce manque de connaissances. Ils ont découvert que le mélange d’un dérivé de chlorophylle avec du naphtalènediamide dans un solvant organique conduit à la formation de dimères qui s’auto-assemblent spontanément en structures annulaires, chacune de plusieurs centaines de nanomètres de diamètre. L’équipe comprenait le professeur Hitoshi Tamiaki de l’Université Ritsumeikan et le professeur adjoint Shogo Matsubara de l’Institut de technologie de Nagoya.

Surpris par leur découverte initiale, l’équipe a cherché à mieux comprendre la formation des nanostructures en forme d’anneau et leurs propriétés. Après une inspection plus approfondie à l’aide microscopie à force atomique, ils ont observé que les dimères de chlorophylle, des molécules composées de deux unités de chlorophylle liées par du naphtalène, s’auto-assemblent initialement en nanofibres ondulées stables. Lors du chauffage de ces nanofibres à 50°C, elles se sont désassemblées en précurseurs de nanoanneaux plus petits dont les extrémités se sont finalement jointes pour former les nanoanneaux souhaités.

Fait intéressant, cette transformation nanofibre-nanore dépendait de stimuli externes. Il a été observé que la température jouait un rôle majeur, ainsi que la concentration en dimères. Le professeur Tamiaki explique : “A de faibles concentrations, des agrégats en forme d’anneaux ont été obtenus par une jonction préférentielle de bout en bout d’une seule supramolécule de fibre. En revanche, la liaison bout à bout entre différentes nanofibres était répandue à des concentrations plus élevées et a donné ascension vers des nanostructures en réseau.”

Dans l’ensemble, les résultats de cette étude révèlent un moyen simple de synthétiser la supramolécule LH qui a longtemps échappé aux scientifiques. Enthousiasmé par les résultats, le Dr Matsubara remarque : « Les auto-assemblages que nous avons synthétisés permettent une absorption efficace de la lumière solaire ainsi qu’une migration et un transfert d’énergie d’excitation. Il est essentiel d’imiter l’arrangement des pigments de chlorophylle observé dans la nature non seulement pour comprendre la photosynthèse naturelle, mais aussi pour construire des éléments artificiels. Systèmes LH pour des appareils tels que des cellules solaires.”

De plus, le changement structurel de la nanofibre au nanoanneau déclenché par Stimulation externe pourrait aider à réaliser de nouveaux matériaux intelligents aux propriétés ajustables. L’équipe a déclaré que d’autres recherches sur les propriétés optiques des nanoanneaux auto-assemblés sont en cours.