La vie dépend de la photosynthèse, utilisant l’énergie solaire pour convertir le CO₂ en matière organique. Les capteurs solaires sont les membranes photosynthétiques formant des sacs aplatis et empilés en si grand nombre que leur surface globale est de l’ordre de 1 à 3 fois la surface d’un stade de rugby pour 1 mètre carré de feuilles. Un mystère a élucider est la construction de ces membranes et leur empilement. Le rôle des protéines était connu mais celui des lipides ne l’était pas. Au sein d’une collaboration internationale, des chercheurs de notre Laboratoire et de l’Institut Laue Langevin révèlent le rôle essentiel des sucres portés par les lipides dans la force cohésive entre membranes adjacentes.

La construction des membranes photosynthétiques sous forme de sacs aplatis et empilés dépend de l’interaction entre membranes adjacentes. Ces membranes biologiques sont composées d’une matrice de lipides polaires dans laquelle s’insèrent des protéines, en particulier les protéines impliquées dans le processus de photosynthèse (Figure A). 

A ce jour, les lipides sont juste considérés pour leur rôle de remplissage, formant une matrice fluide permettant aux protéines de se déplacer latéralement. L’hypothèse la plus fréquente pour expliquer l’aplatissement et l’empilement des membranes est que des vésicules sphériques se forment initialement, grandissent sous forme de sacs aplatis sans que l’on comprenne comment cet aplatissement s’opère, puis s’empilent grâce à des forces d’adhésion assurées uniquement par des protéines. Or il existe des cas où les membranes photosynthétiques sont empilées en absence de ces protéines. De façon intrigante, quatre lipides sont conservés dans toutes les membranes photosynthétiques, des cyanobactéries aux algues et aux plantes, en particulier le digalactosyldiacylglycérol (DGDG) (Figure B). 

Les travaux de biophysique menés en collaboration entre l’équipeBiogenèse, dynamique et homéostasie des lipides membranaires du laboratoire Physiologie Cellulaire & Végétale et le Laboratoire de Physiologie Cellulaire et l’Institut Laue Langevin à Grenoble et exploitant la réflectométrie neutronique, avaient montré que le DGDG rendait les membranes biologiques cohésives entre elles. La force cohésive due au DGDG s’est avérée remarquablement grande, puisqu’elle compensait par exemple la répulsion électromagnétique exercée par des lipides chargés négativement, mélangés avec le DGDG. En bref, le DGDG est un lipide sucré particulièrement collant ! La compréhension de l’adhésion entre les sucres portés par le DGDG (Figure C) est venue de modélisations et de simulations à l’échelle moléculaire, menées en collaboration avec le Centre Helmholtz de Berlin pour la Matière et l’Energie, l’Université Libre de Berlin, l’Université de Groningen et l’Institut Max Planck sur les Colloïdes et Interfaces, à Potsdam en Allemagne. 

Ces travaux montrent ainsi comment un lipide contribue significativement à l’architecture des membranes photosynthétiques, donnant une explication à sa conservation au cours de l’évolution, et ouvrent des perspectives pour exploiter les sucres pour l’élaboration de membranes biomimétiques empilées.