Améliorer la photosynthèse avec des points de carbone

La photosynthèse, c’est le truc que les plantes, les algues et certains bactéries utilisent pour transformer le dioxyde de carbone (CO2) et l'eau en sucres grâce à la lumière du soleil. Ce processus est super important car il fournit de la nourriture et de l'énergie à presque tous les êtres vivants sur Terre. Avec la population mondiale qui explose, il faut vraiment améliorer la photosynthèse. Le changement climatique et la diminution des terres cultivables rendent encore plus crucial de trouver des moyens de booster ce processus naturel.

Bien que les plantes aient développé des systèmes efficaces pour capter la lumière, ces systèmes ne convertissent qu'environ 0,2 à 1 % de la lumière solaire en énergie pour les récoltes. Pendant la photosynthèse, la lumière est absorbée par les molécules de chlorophylle, mais la chlorophylle ne capte surtout que la lumière visible, ce qui entraîne une perte d'énergie, surtout avec la lumière verte qui est réfléchie au lieu d'être absorbée.

#Efforts Actuels pour Améliorer la Photosynthèse

Il y a eu plusieurs essais pour améliorer la photosynthèse. Les scientifiques ont tenté de modifier génétiquement les plantes pour renforcer leur capacité à capter la lumière et rendre des processus comme la fixation du carbone plus efficaces. Certaines méthodes comprenaient le changement des enzymes impliquées dans la photosynthèse ou comment les plantes gèrent la photorespiration (un processus qui peut diminuer l'efficacité photosynthétique). Cependant, beaucoup de ces stratégies ont rencontré des obstacles. Par exemple, les changements peuvent être difficiles à mettre en œuvre chez de nombreuses plantes, et les systèmes naturels de capture de lumière des plantes peuvent être fragiles.

#Une Nouvelle Approche : Biohybrides Phototropes

Des recherches récentes se sont penchées sur la combinaison de systèmes biologiques avec des matériaux organiques ou métalliques pour améliorer l'utilisation de l'énergie solaire. Dans ces systèmes biohybrides, certains matériaux peuvent absorber efficacement la lumière et transférer cette énergie aux organismes vivants pour les aider dans des processus comme la réduction du CO2 ou la production chimique. Des études précédentes ont montré que combiner certains matériaux avec des plantes peut améliorer la photosynthèse et même permettre la conversion du CO2 en produits chimiques utiles.

Un domaine prometteur implique des Points de carbone (PC), qui sont de minuscules matériaux à base de carbone. Ils sont biocompatibles, donc sûrs pour les organismes vivants, et en plus, ils ne coûtent pas cher. Les PC absorbent la lumière efficacement et peuvent modifier les propriétés de la lumière, ce qui en fait des outils potentiels pour améliorer la photosynthèse.

#La Recherche à Connaître

Cette étude a introduit des PC ultra-petits comme outils pour aider les organismes photoautotrophes, qui incluent les plantes et les Cyanobactéries. Les PC peuvent transformer la lumière en formes plus utiles pour ces organismes, leur permettant de mieux utiliser la lumière du soleil pour l'énergie. Les PC produisent aussi un courant électrique lorsqu'ils sont exposés à la lumière, ce qui aide à fournir de l'énergie supplémentaire pour les processus photosynthétiques dans les cellules.

Quand les chercheurs ont combiné les PC avec des cyanobactéries, ils ont remarqué des améliorations significatives sur l'efficacité de la photosynthèse chez ces organismes. Les PC ont aidé à la fois dans les réactions dépendantes de la lumière et dans la fixation du carbone, où les plantes transforment le CO2 en sucres. Cela a abouti à une conversion plus efficace de l'énergie solaire en énergie chimique dont les plantes ont besoin pour grandir.

Dans des expériences, ils ont observé une croissance plus rapide chez les plantes traitées avec des PC. Cela montre que l'utilisation des PC dans des systèmes biohybrides a un grand potentiel pour améliorer l'efficacité de la photosynthèse dans divers types d'organismes.

#Fabrication des Points de Carbone

Pour créer les PC, les chercheurs ont récupéré des matériaux à partir de biomasse de cyanobactéries. Ces matériaux ont ensuite été traités par un processus impliquant la chaleur et le filtrage pour extraire les PC. Les particules résultantes étaient très petites, mesurant en moyenne juste 3,5 nanomètres, composées principalement de carbone, d'azote et d'oxygène.

Les PC ont montré une forte absorption de lumière sur une large gamme de longueurs d'onde. En revanche, les cyanobactéries et les cellules végétales elles-mêmes n'absorbaient que certaines parties du spectre lumineux. Le résultat, c'est que les PC pouvaient aider ces organismes à capturer plus d'énergie lumineuse et à la convertir en une forme utilisable.

#Incorporation des PC dans les Cyanobactéries

Étant donné leur petite taille, les chercheurs ont émis l'hypothèse que les PC pouvaient facilement pénétrer dans les cellules des cyanobactéries. Ils ont testé cela en ajoutant des PC à une suspension de cyanobactéries puis en examinant les cellules au microscope. Les résultats ont confirmé que les PC étaient bien pris en charge par les cellules, montrant que la formation d'un système hybride était réalisable.

Les données expérimentales ont montré que le photocourant généré par le système hybride était supérieur à celui produit par les PC ou les cyanobactéries seules. Cela indiquait que la combinaison améliorait effectivement la capture et l'utilisation de l'énergie.

#Amélioration de la Photosynthèse

Pour voir si les PC pouvaient améliorer la photosynthèse, les chercheurs ont cultivé des cyanobactéries avec différentes quantités de PC. Les résultats ont montré qu'à faibles concentrations, le taux de croissance des cyanobactéries augmentait considérablement. Cependant, à des concentrations très élevées, les PC ont commencé à avoir des effets néfastes, probablement en générant des espèces réactives de l'oxygène nocives.

Lorsque les chercheurs ont mesuré l'oxygène produit par les cyanobactéries en présence des PC, ils ont trouvé une augmentation de la production d'oxygène, peu importe les conditions lumineuses. Cela a montré que les PC étaient bénéfiques pour le processus photosynthétique.

Ils ont également examiné à quel point les photosystèmes dans les cyanobactéries fonctionnaient bien lorsqu'ils étaient complétés par des PC. Les résultats ont indiqué que l'efficacité et la production d'énergie des plantes s'étaient améliorées. Les niveaux intracellulaires de molécules importantes comme le NADPH ont aussi augmenté, suggérant une production d'énergie renforcée.

#Production Chimique à Partir du CO2

Au-delà de l'amélioration de la croissance, les chercheurs voulaient voir si les PC pouvaient aider à la production chimique à partir du CO2. Ils ont testé une souche de cyanobactéries qui produit du Glycérol, un produit chimique important dans de nombreuses industries. Avec l'ajout de PC, le taux de production de glycérol a considérablement augmenté, confirmant le potentiel de ce système pour des applications pratiques.

Les améliorations observées étaient particulièrement notables dans des conditions de faible luminosité, rendant cette approche précieuse pour des applications agricoles pratiques où les niveaux de lumière peuvent varier.

#Bénéfices pour la Croissance des Plantes

Les chercheurs ont aussi regardé comment les PC pourraient aider les plantes supérieures, comme Arabidopsis thaliana. En pulvérisant les feuilles avec des solutions contenant des PC, ils ont remarqué que les plantes avaient une croissance améliorée sans aucun effet néfaste. Des concentrations plus élevées de PC ont présenté des augmentations plus significatives en poids frais et en superficie foliaire.

Ces résultats suggèrent que l'utilisation des PC pourrait être une stratégie prometteuse pour booster la croissance des plantes et la production agricole.

#Conclusion

L'étude souligne que l'utilisation des points de carbone peut améliorer significativement l'efficacité de la photosynthèse dans les cyanobactéries et les plantes supérieures. Les PC fonctionnent en capturant et en modifiant la lumière, permettant aux plantes de mieux utiliser la lumière disponible. L'augmentation de la biomasse et de la production d'énergie démontre le potentiel de ces systèmes biohybrides pour améliorer les pratiques agricoles. Avec la recherche et le développement en cours, cette approche pourrait mener à des solutions durables pour nourrir une population mondiale croissante face aux changements des conditions environnementales.