Section 20 Biologie moléculaire et structurale, biochimie

IV. La production et l'utilisation d'énergie

La bioénergétique regroupe l'ensemble des processus permettant aux cellules de produire, véhiculer, transmettre, et utiliser l'énergie chimique ainsi que les mécanismes de régulation de l'homéostasie énergétique permettant à un organisme d'adapter son fonctionnement à son environnement. C'est une discipline en perpétuelle évolution associant la biologie cellulaire, la biochimie, la biophysique et la chimie. Les dérèglements de ces processus souvent vitaux engendrent de nombreuses pathologies.

La connaissance précise d'un nombre croissant de structures tridimensionnelles de complexes macromoléculaires transducteurs d'énergie des voies photosynthétiques et d'oxydation phosphorylante (procaryotes et eucaryotes) devrait conduire à la compréhension de leur fonctionnement au niveau moléculaire mais également au niveau des voies dans lesquelles ils sont impliqués. De nouvelles questions se posent telles que la localisation des transducteurs, la présence de certains pools de transfert d'électrons (ubiquinones et cytochrome c), la canalisation des substrats ou encore les interactions entre les complexes macromoléculaires dans la membrane. Les progrès de diverses techniques (microscopie électronique, utilisation de sondes optiques, études spectroscopiques, pontages chimiques et électrophorèse en conditions natives) concourent à rendre possibles ces études. Ainsi, un point actuellement très débattu concerne la dynamique des supercomplexes localisés dans les membranes photosynthétiques, mitochondriales et procaryotes. Ces complexes constituent des unités fonctionnelles qui pourraient également contrôler la structure membranaire à grande échelle. Les super-complexes contrôlent-ils les flux d'électrons ? Comment s'y effectue le transfert d'électrons ? Ont-ils réellement un rôle physiologique ? Quelle est la dynamique de formation et de dissociation de ces édifices ? Est-elle en lien avec le cycle cellulaire ? Ce sont autant de questions qui attendent encore des réponses.

Dans le cas de la photosynthèse, l'étude des mécanismes moléculaires impliqués évolue extrêmement rapidement, en particulier grâce à l'approche « photosynthèse artificielle » qui fait naître des espoirs pour relever les défis énergétiques qui attendent la planète au cours des prochaines décennies. Des mécanismes comme l'oxydation de l'eau par le photosystème II ou la réduction des protons par les hydrogénases, font l'objet de recherches intenses. Par ailleurs le mécanisme de séparation des charges primaires (et donc de la transformation de l'énergie lumineuse en énergie chimique) est toujours mal compris en détail. La récente mise en évidence de phénomènes oscillatoires, pouvant s'apparenter à des cohérences quantiques qui optimiseraient les processus de collecte de la lumière et de sa transformation, a entraîné l'émergence d'un nouveau domaine de recherche dynamique et productif.

D'un point de vue général, les interconnexions entre ces processus énergétiques et le métabolisme cellulaire sont encore mal caractérisées. Des observations assez anciennes, comme l'inhibition de la respiration par l'activation de la glycolyse (l'effet Warburg) qui a été mise en évidence dans de nombreux types cellulaires, n'ont toujours pas trouvé d'explication satisfaisante même si certains facteurs de régulation ont pu être identifiés. Au cours de ces dernières années, de nombreuses études portant sur des mécanismes aussi variés que la réponse immunitaire, la dynamique du réticulum endoplasmique, les maladies neurodégénératives (protéine Parkin), semblent impliquer les mitochondries et leur capacité énergétique dans la régulation de ces mécanismes. Par ailleurs, les nouvelles techniques de séquençage ont révélé l'existence de nombreuses voies métaboliques jusqu'ici insoupçonnées montrant ainsi que les limites de nos connaissances actuelles sont sans cesse repoussées. L'ensemble de ces études souligne la nécessité de développer une approche plus globale du métabolisme qui mette en œuvre modélisation informatique, quantification rigoureuse des différents flux métaboliques et analyse des métabolites par des méthodes très sensibles (e.g. spectrométrie de masse, RMN), avec pour objectif d'obtenir une description précise de la dynamique de ces systèmes complexes.

À l'autre bout de cette chaîne énergétique, on retrouve l'ensemble des protéines « consommatrices » qui nécessitent un apport en énergie pour changer de conformation et ainsi accomplir leur fonction physiologique (e.g. GTPases, ATPases, transporteurs primaires et secondaires, GPCRs, etc.). Parmi celles-ci, il existe de nombreuses protéines membranaires qui permettent notamment les échanges avec le milieu extérieur ou avec l'hôte colonisé (informations, nutriments, exportation de protéines extracellulaires, injection de toxines par les systèmes de sécrétion bactériens, rejets de déchets...) et qui jouent également un rôle dans les communications intercellulaires. Elles participent aussi à la cohésion intracellulaire en régulant des flux de signaux entre les différents organites cellulaires.

La découverte de nouveaux micro-organismes vivant dans des habitats extrêmement divers et mettant en œuvre des stratégies très variées de production d'énergie a donné naissance à une bioénergétique, différente de celle qui s'intéressait quasi exclusivement à la respiration mitochondriale et à la photosynthèse des chloroplastes. Ces travaux ont conduit à la conviction qu'outre son rôle de carburant pour toute réaction cellulaire, l'énergie est un des facteurs, sinon le, déterminants de l'évolution de la vie sur terre depuis ses origines jusqu'à ce jour. L'émergence de capacités à utiliser tout déséquilibre électrochimique présent dans l'environnement à des fins de conversion d'énergie paraît donc avoir été cruciale pour que les procaryotes puissent coloniser la Terre entière. La source de nouveaux systèmes moléculaires et métaboliques doit permettre de progresser dans la recherche de corrélations et similitudes entre des voies bioénergétiques apparemment différentes et permettre de mieux comprendre entre autres, la transition évolutive procaryotes/eucaryotes.

La bioénergétique moderne qui est en plein essor analyse donc toute la diversité de ces mécanismes et de ces modèles. Cet axe majeur de la recherche qui étudie la synthèse d'énergie et donc la base de la vie, est de plus source de valorisation potentielle tant dans le domaine de la santé que dans le domaine de l'environnement et des biocarburants avancés.