Le carbone est l’un des principaux éléments constitutifs de la vie sur Terre. Il est abondant dans l’atmosphère de notre planète, où il se trouve sous forme de dioxyde de carbone. Le carbone pénètre dans le corps des Terriens principalement par le processus de photosynthèse, qui incorpore du dioxyde de carbone dans les sucres qui servent de composants à d’importantes biomolécules et alimentent la chaîne alimentaire mondiale. Environ un tiers de ce processus dans le monde est réalisé par des algues unicellulaires qui vivent dans les océans (la majeure partie du reste est réalisée par des plantes).
L’enzyme qui effectue la première étape de la réaction pour assimiler le dioxyde de carbone en sucres est une protéine volumineuse appelée Rubisco assemblée à partir de huit petites sous-unités identiques et de huit grandes sous-unités identiques disposées ensemble symétriquement. Toutes les parties de cet assemblage, qui s’appelle une holoenzyme, travaillent de concert pour accomplir le devoir enzymatique de Rubisco. Le taux d’activité de Rubisco – et par extension, la vitesse à laquelle les plantes et les algues peuvent pousser – est limité par son accès au dioxyde de carbone. Le dioxyde de carbone libre peut être rare dans l’eau, de sorte que les algues aquatiques telles que Chlamydomonas reinhardtii ont parfois du mal à maintenir Rubisco à son maximum. Pour contrer cela, ces algues ont développé une structure spéciale appelée pyrénoïde pour fournir du dioxyde de carbone concentré à Rubisco. Le pyrénoïde est si important que presque toutes les algues de la planète en ont un. On pense que différentes espèces d’algues ont fait évoluer la structure indépendamment.
«La caractéristique déterminante d’un pyrénoïde est la matrice, un condensat géant semblable à un liquide qui contient presque tout le Rubisco de la cellule», explique Jonikas, professeur adjoint au département de biologie moléculaire de Princeton.
Rubisco est le composant principal de la matrice pyrénoïde, mais pas le seul; en 2016, le laboratoire de Jonikas a découvert une autre protéine abondante dans le pyrénoïde appelée EPYC1. Dans leur article de 2016, le groupe de Jonikas a montré que EPYC1 se lie à Rubisco et aide à concentrer Rubisco dans le pyrénoïde. Les chercheurs ont émis l’hypothèse que l’EPYC1 fonctionne comme une colle moléculaire pour relier les holoenzymes Rubisco. Le post-doctorant Shan He, avec des collègues du laboratoire de Jonikas et des collaborateurs d’Allemagne, de Singapour et d’Angleterre, a entrepris de tester cette théorie.
«Dans le présent travail, nous démontrons que c’est bien ainsi que cela fonctionne», dit Jonikas, «en montrant que EPYC1 a cinq sites de liaison pour Rubisco, lui permettant de« lier »plusieurs holoenzymes Rubisco».
EPYC1 est une protéine étendue, faiblement structurée, et ses cinq sites de liaison Rubisco sont uniformément répartis sur toute sa longueur. Les chercheurs ont également découvert que Rubisco avait huit sites de liaison EPYC1 répartis uniformément sur sa surface en forme de boule. La modélisation informatique a montré que la protéine EPYC1 faiblement structurée et flexible peut établir plusieurs contacts avec une seule holoenzyme Rubisco ou relier les holoenzymes voisines. De cette façon, EPYC1 conduit Rubisco à se regrouper dans la matrice pyrénoïde.
Bien que cela offre une explication satisfaisante de la façon dont la matrice est assemblée, cela pose une sorte d’énigme. D’autres protéines doivent pouvoir accéder à Rubisco pour le réparer en cas de panne. Si le réseau EPYC1-Rubisco est rigide, il pourrait empêcher ces protéines d’accéder à Rubisco. Cependant, He et ses collègues ont constaté que les interactions d’EPYC1 avec Rubisco sont assez faibles, donc bien que les deux protéines puissent former de nombreux contacts entre elles, ces contacts s’échangent rapidement.
«Cela permet à EPYC1 et à Rubisco de se croiser tout en restant dans un condensat dense, permettant à d’autres protéines pyrénoïdes d’accéder également à Rubisco», note Jonikas. « Notre travail résout le mystère de longue date de la façon dont Rubisco est maintenu ensemble dans la matrice pyrénoïde. »
Les plantes terrestres n’ont pas de pyrénoïdes, et les scientifiques pensent que l’ingénierie d’une structure de type pyrénoïde dans les plantes cultivées pourrait augmenter leur taux de croissance. Comprendre comment le pyrénoïde est assemblé dans les algues représente un pas important vers de tels efforts.
«Lui et ses collègues fournissent une très belle étude moléculaire des interactions protéine-protéine entre la petite sous-unité de Rubisco et EPYC1», déclare le Dr James Moroney, professeur de biologie au département des sciences biologiques de la Louisiana State University, dont le laboratoire étudie la photosynthèse chez les plantes et les algues.
« Ce travail est encourageant pour les chercheurs qui tentent d’introduire des structures de type pyrénoïde dans les plantes pour améliorer la photosynthèse », ajoute-t-il.
Dans un monde en proie à la faim et à la maladie, nous pouvons utiliser tous les stimulants que nous pouvons obtenir..