La biologie synthétique pour booster la photosynthèse des cultures

La biologie synthétique pour booster la photosynthèse des cultures

Des compartiments nanométriques, appelés encapsulines, ont été conçus pour s'attaquer au principal défi des plantes : l'utilisation efficace de la protéine Rubisco.

Université de Sydney*

Des chercheurs australiens ont créé de minuscules compartiments pour aider à stimuler la photosynthèse, ce qui pourrait augmenter les rendements du blé et du riz tout en réduisant considérablement la consommation d'eau et d'azote.

Les chercheurs du groupe du professeur associé Yu Heng Lau de l'Université de Sydney et du groupe du professeur Spencer Whitney de l'Université Nationale Australienne ont passé cinq ans à s'attaquer à un problème fondamental : comment rendre les plantes plus efficaces dans la fixation du carbone ?

L'équipe a mis au point des « bureaux » à l'échelle nanométrique pouvant accueillir une enzyme appelée Rubisco dans un espace confiné, ce qui permet aux scientifiques d'ajuster la compatibilité en vue d'une utilisation future dans les cultures, ce qui devrait leur permettre de produire des aliments avec moins de ressources.

Leurs recherches sont publiées dans Nature Communications.

La Rubisco est une enzyme courante dans les plantes, essentielle à la « fixation » du dioxyde de carbone pour la photosynthèse, le processus chimique qui utilise la lumière du soleil pour produire de la nourriture et de l'énergie pour les plantes.

« Bien qu'elle soit l'une des enzymes les plus importantes sur Terre, la Rubisco est étonnamment inefficace », a déclaré le Dr Taylor Szyszka, chercheuse principale au Centre d'Excellence ARC en Biologie Synthétique et à la faculté de chimie de l'Université de Sydney.

« La Rubisco est très lente et peut réagir par erreur avec l'oxygène au lieu du CO₂, ce qui déclenche un tout autre processus qui gaspille de l'énergie et des ressources. Cette erreur est si courante que des cultures vivrières importantes telles que le blé, le riz, le canola et les pommes de terre ont développé une solution radicale : produire la Rubisco en masse », a-t-elle déclaré.

Dans certaines feuilles, jusqu'à 50 % des protéines solubles ne sont que des copies de cette enzyme, ce qui représente une dépense énorme en énergie et en azote pour la plante.

« C'est un obstacle majeur à la croissance efficace des plantes », explique M. Davin Wijaya, doctorant à l'Université Nationale Australienne, qui a codirigé l'étude.

Lorsque la Rubisco réagit avec le dioxyde de carbone, elle aide les plantes à produire du sucre pour leur croissance et leur énergie, mais lorsqu'elle réagit avec l'oxygène, elle a un effet négatif. Image : Davin Saviro Wijaya/ANU

Certains organismes ont résolu ce problème il y a des millions d'années. Les algues et les cyanobactéries abritent la Rubisco dans des compartiments spécialisés et leur fournissent du CO₂ concentré. Ces compartiments sont comme de minuscules bureaux à domicile qui permettent à l'enzyme de fonctionner plus rapidement et plus efficacement, avec tout ce dont elle a besoin à portée de main.

Les scientifiques tentent depuis des années d'installer ces systèmes naturels de concentration du CO₂ dans les cultures. Mais même les compartiments les plus simples contenant de la Rubisco provenant de cyanobactéries, appelés carboxysomes, sont structurellement complexes. Ils nécessitent plusieurs gènes fonctionnant en équilibre précis et ne peuvent abriter que leur Rubisco native.

« Bien qu'elle soit l'une des enzymes les plus importantes sur Terre, la Rubisco est étonnamment inefficace. »

Dr Taylor Szyszka, auteur principal

L'équipe de Lau et Whitney a adopté une approche différente, en utilisant des encapsulines. Il s'agit de simples cages protéiques bactériennes qui ne nécessitent qu'un seul gène pour être construites. Imaginez-les comme des blocs Lego qui s'emboîtent automatiquement, plutôt que comme des meubles livrés dans des colis plats et complexes à assembler.

Pour y charger la Rubisco, les chercheurs ont ajouté à l'enzyme une courte « étiquette d'adresse » de 14 acides aminés qui, comme un code postal, dirige l'enzyme vers sa destination à l'intérieur du compartiment d'assemblage.

L'équipe a testé trois variétés de Rubisco : une provenant d'une plante et deux provenant de bactéries. Ils ont découvert que le timing était important. Pour les formes plus complexes de l'enzyme, ils devaient d'abord construire la Rubisco, puis construire la coque protéique autour d'elle.

« La Rubisco ne s'assemblait pas correctement lorsqu'on essayait de faire les deux en même temps », a déclaré M. Wijaya.

Le Dr Szyszka a déclaré : « Un autre avantage intéressant de notre système est qu'il est modulaire. Les carboxysomes ne peuvent encapsuler que leur propre Rubisco, tandis que notre système d'encapsuline peut encapsuler n'importe quel type. »

« Le plus passionnant, c'est que nous avons découvert que les pores de l'enveloppe d'encapsuline permettent l'entrée et la sortie du substrat et des produits de la Rubisco », a-t-elle ajouté.

Image au microscope électronique à transmission montrant les compartiments d'encapsuline. Image : Alex Loustau/USYD

Les chercheurs soulignent qu'il ne s'agit que d'une preuve de concept. Ils doivent ajouter les composants supplémentaires qui fourniront à la Rubisco l'environnement hautement performant dont elle a besoin. Des expériences préliminaires sur des plantes sont déjà en cours à l'ANU.

« Nous savons que nous pouvons produire des encapsulines dans des bactéries ou des levures ; les fabriquer dans des plantes est la prochaine étape logique. Nos résultats préliminaires semblent prometteurs », a déclaré M. Wijaya.

En cas de succès, les cultures dotées de cette technologie de fixation du CO₂ pourraient produire des rendements plus élevés tout en utilisant moins d'eau et d'engrais azotés. Il s'agit là d'avantages essentiels, car le changement climatique et la croissance démographique exercent une pression sur les systèmes alimentaires mondiaux.

Remerciements : Sydney Microscopy and Microanalysis

Cette recherche a été menée à bien avec le soutien du Dr Errin Johnson de Sydney Microscopy and Microanalysis. Nous remercions également les installations centrales de Sydney Analytical pour leur soutien en matière d'infrastructure.

Recherche

Szyszka, T. et Wijaya, D. et al. « Reprogramming encapsulins into modular carbon-fixing nanocompartments » (Nature Communications 2025) DOI : 10.1038/s41467-025-65307-9.

Déclaration

Les auteurs déclarent n'avoir aucun conflit d'intérêts. Le financement a été fourni par l'Australian Research Council.

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Source : Synthetic biology to supercharge photosynthesis in crops

Ma note : Cet axe de recherche et ce résultat me semblent remarquables. Mais je suis toujours sceptique devant l'affirmation que cela pourrait réduire les besoins en azote : cet azote se retrouve essentiellement dans le grain sous forme de protéines.