D’importants progrès ont été réalisés dans le domaine de la photosynthèse artificielle, des étapes photochimiques initiales aux processus de réduction des protons impliqués dans la production de H2. Malgré tout, l’oxydation de l’eau, effectuée par le Photosystème II (PSII) dans la nature, reste l’étape la plus difficile à réaliser. L’équipe de l’iBiTec-S animée par Alain Boussac s’intéresse au mécanisme d’oxydation de l’eau par le PSII et aux relations entre paramètres environnementaux et propriétés du PSII dont la principale protéine qui le constitue varie selon ces paramètres dans les cyanobactéries. Par exemple, différentes hémoprotéines peuvent être différemment produites dans la cellule selon le type de PSII synthétisé.
PsbV2 est un cytochrome découvert par notre équipe en 2003. Bien qu’il soit présent en très faible quantité (il ne peut être surexprimé pour l’instant) il a pu être purifié et cristallisé et sa structure a été déterminée avec une résolution de 1.5 Å. Les 5ème et 6ème ligands axiaux de l’hème sont l’His51 et la Cys101. Classiquement ces ligands sont His/His ou His/Met dans les CytC. Il s’agit du premier cytochrome C de ce type dont la structure a été résolue et seuls 5 autres cas sont connus dans la littérature. Le potentiel redox d’un tel cytochrome est attendu inférieur à -400 mV et des expériences pour mieux connaître ses propriétés physico-chimiques et son rôle dans la cellule sont en cours. (Suga M et al. 2013, FEBS Letters)
L’oxydation de l’eau par le PSII est catalysée par un agrégat Mn4CaO5 qui parcourt 5 états d’oxydation (S0, S1, S2, S3, S4) au cours du cycle catalytique consécutivement à l’absorption de 4 photons. La dernière étape, spontanée, est: S4 + 2 H2O → S0 + O2 +4 H+. Le mécanisme réactionnel de cette étape reste à élucider. Pour cela, il faut d’abord identifier dans le complexe Mn4CaO5 (voir figure), quels sont, parmi les 5 oxygènes ceux qui pourraient appartenir aux molécules d’eau substrat.
Grâce à des techniques avancées de Résonance Paramagnétique Electronique (EPR) telles que l’ENDOR pulsée en bande Q et l’EDNMR en bande W et en utilisant des enzymes dans lesquelles l’ion calcium a été substitué par l’ion strontium, l’oxygène 16O par l’oxygène 17O (qui possède un spin nucléaire) et qui sont incubées en présence de NH3, il a été montré que 1) NH3 n’inhibait pas l’activité de l’enzyme mais déplaçait la molécule d’eau W1 et 2) que l’oxygène O5 appartient à une des 2 molécules d’eau substrat. Ces résultats excluent W1 comme la deuxième molécule d’eau substrat et supportent l’idée de la formation de la liaison O-O entre O5 et un radical oxyl situé dans le complexe Mn4CaO5 (Navarro MP et al. 2013, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A).