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Accueil > Départements > Biochimie, Biophysique et Biologie Structurale > Diana KIRILOVSKY : Mécanismes régulateurs chez les organismes photosynthétiques

Photoprotection chez les cyanobactéries

Diana KIRILOVSKY

La thématique « Photoprotection chez les cyanobactéries », animée par Diana Kirilovsky, étudie l’appareil photosynthétique des cyanobactéries (en particulier le photosystème II) pour comprendre les différents rôles de la lumière comme régulateur mais aussi comme facteur de stress. Plus précisément, nous voulons comprendre les mécanismes développés par les cyanobactéries pour s’adapter à des lumières fluctuantes en qualité et intensité et pour se protéger des fortes intensités lumineuses. Pour répondre à ces questions très fondamentales, nous utilisons des approches pluridisciplinaires qui vont de la biophysique à la biologie moléculaire.

OCP related photoprotection
OCP

La lumière est une source d’énergie nécessaire à la photosynthèse mais a également des effets nocifs. Lors d’une forte illumination, l’excès d’énergie arrivant aux centres réactionnels induit l’accumulation d’Espèces Réactives de l’Oxygène conduisant à la mort cellulaire. Nous avons découvert, il y a 8 ans, que les cyanobactéries, comme les plantes et les algues, se protègent contre les dommages photo-oxydatifs, en convertissant une partie de l’énergie solaire absorbée en chaleur, régulant de ce fait l’énergie transférée de leurs antennes vers les photosystèmes.

Pendant ces dernières années nous avons beaucoup progressé dans l’élucidation de ce mécanisme de photoprotection. Nous avons démontré qu’une protéine soluble attachant un ketocaroténoïde, l’« Orange Carotenoid Protein » (OCP), est essentielle pour l’induction du mécanisme. L’OCP est formé par un α hélice N-terminal domaine et un β sheet/ α hélice C-terminal domaine.

Cette protéine fait partie de la famille des photorécepteurs qui sont des éléments essentiels pour détecter les changements environnementaux afin de s’y adapter rapidement. L’OCP est la première protéine photo-active contenant un caroténoïde comme chromophore et ayant un mécanisme original et unique que nous sommes en train d’élucider.

L’illumination par une lumière bleue verte intense induit un changement de conformation de cette protéine et sa conversion en une forme active. La forme orange inactive de l’OCP a une conformation fermée. Les changements conformationels du caroténoïde induits par la lumière causent la rupture de la liaison entre les deux domaines de la protéine et la forme rouge active adopte une conformation ouverte. La forme active s’attache au complexe collecteur d’énergie lumineuse, le phycobilisome, et induit la dissipation thermique de l’excès d’énergie absorbée. Le domaine C-terminale est le senseur de l’intensité lumineuse et l’inducteur des changements et le domaine N-terminal est le quencher d’énergie.

FRP

La Fluorescence Recovery Protein (FRP) est un autre élément essential dans la photoprotection. Cette protéine est nécessaire pour récupérer la fluorescence (perdue sous forte illumination) et la capacité maximale des phycobilisomes comme antennes quand les cellules se trouvent à nouveau sous de plus faibles intensités lumineuses. Cette protéine interagit avec le domaine C-terminale de la forme rouge active de l’OCP aidant à son détachement de l’antenne et accélérant sa conversion à la forme orange inactive.

Nos travaux, que permettent d’affiner les connaissances des mécanismes du transfert d’énergie et de photoprotection chez les cyanobactéries, sont très importants pour développer des souches de cyanobactéries résistantes et adaptées à la production de biomasse et de biocarburants et pour le développement de systèmes artificiels de production d’énergie utilisant la lumière solaire.

Notre expertise sur l’appareil photosynthétique des cyanobactéries et ses mécanismes de régulation ont permis la naissance, d’une collaboration avec l’entreprise Phycosource, spécialisée dans le développement et la vente d’ingrédients naturels issus de microalgues et de cyanobactéries.

Publications

- Wilson A, Ajlani G, Verbavatz J-M, Vass I, Kerfeld C and Kirilovsky D (2006) A soluble carotenoid protein involved in phycobilisome-related thermal energy dissipation in cyanobacteria Plant Cell 18, 992-1007

- Wilson A, Boulay C, Wilde A, Kerfeld C and Kirilovsky D (2007) Light induced energy dissipation in iron-starved cyanobacteria. Roles of OCP and IsiA proteins. Plant Cell 19, 656-672

- A. Wilson, C. Punginelli, A. Gall, C. Bonetti, M. Alexandre, J-M Routaboul, C. Kerfeld, R. van Grondelle, B. Robert, J. Kennis, D. Kirilovsky (2008) A photoactive carotenoid protein acting as light intensity sensor. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105, 12075-12080

- C Boulay, A Wilson, S D’Haene, D Kirilovsky (2010) Identification of a protein required for recovery of full antenna capacity in OCP-related photoprotective mechanism in cyanobacteria. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 11620-11625

- Gwizdala, M, Wilson A, Kirilovsky D (2011) In vitro reconstitution of the cyanobacterial photoprotective mechanism mediated by the Orange Carotenoid Protein. Plant Cell 23 2631-2643

- Lijin Tian, Ivo H.M. van Stokkum, Rob B. M. Koehorst, Aniek Jongerius, Diana L. Kirilovsky, and Herbert van Amerongen (2011) Site, rate and mechanism of photoprotective quenching in cyanobacteria. J. Am. Chem. Soc., 133 (45) 18304-18311

- Wilson A, Gwizdala M, Mezzetti A, Alexandre M, Kerfeld CA, Kirilovsky D (2012) The essential role of the N-terminal domain of the Orange Carotenoid Protein in cyanobacterial photoprotection : Importance of a positive charge for phycobilisome binding. Plant Cell, 24 : 1972-1983

- Sutter M, Wilson A, Leverenz R, Lopez-Igual R, Thurotte A, Salmeen A, Kirilovsky D and Kerfeld C (2013) Crystal structure of the FRP and identification of the active site for modulation of OCP-mediated photoprotection in cyanobacteria. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 110, 10022-10027

- Leverenz, R, Jallet D, Li M-D, Mathies RA, Kirilovsky D, Kerfeld C (2014) Structural and functional modularity of the Orange Carotenoid Protein : Distinct roles for the N- and C—terminal domains in cyanobacterial photoprotection. Plant Cell 26, 426-437

- Sedoud A, Lopez-Igual R, ur Rehman A, Wilson A, Perreau F, Boulay C, Vass I, Krieger-Liszkay A, Kirilovsky D (2014) The cyanobacterial photoactive Orange Carotenoid Protein is an excellent singlet oxygen quencher. Plant Cell 26, 1781-1791

Contact


KIRILOVSKY Diana [Directeur de Recherche - CNRS]
Equipe Kirilovsky D. - Mécanismes régulateurs chez les organismes photosynthétiques [Responsable]
01 69 08 95 71 Saclay - Bât 532

publié le , mis à jour le