Qu'est-ce que la Rubisco et pourquoi les scientifiques veulent la réparer ?

La protéine qui nourrit le monde

Chaque épi de blé, chaque grain de riz, chaque pomme suspendue à un arbre doit son existence à une seule enzyme : la Rubisco. Abréviation de ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygénase, la Rubisco est la protéine responsable de l'extraction du dioxyde de carbone de l'air et de sa conversion en sucres qui alimentent toute la croissance des plantes. C'est, en masse, la protéine la plus abondante sur Terre – les scientifiques estiment qu'il y a environ 5 kg de Rubisco pour chaque personne vivante, répartis dans les forêts, les champs et les océans. Plus de 90 % de tout le carbone inorganique converti en matière vivante la traverse.

Pourtant, malgré toute son importance, la Rubisco est une enzyme étonnamment maladroite – et les scientifiques du monde entier se précipitent pour la réparer avant qu'une planète croissante et en réchauffement ne manque de nourriture.

Comment fonctionne la Rubisco

La photosynthèse est le processus par lequel les plantes utilisent la lumière du soleil pour convertir le CO₂ et l'eau en glucose. La Rubisco est au cœur de ce processus, catalysant l'étape critique connue sous le nom de fixation du carbone – le moment où une molécule de CO₂ de l'atmosphère est capturée et attachée à un sucre à cinq carbones, déclenchant une chaîne de réactions qui produit finalement de la nourriture.

Sans cette étape, il n'y aurait pas de biomasse, pas de chaîne alimentaire et pas d'oxygène respirable. En ce sens, la Rubisco est l'enzyme la plus importante de la planète. Mais l'évolution, il s'avère, n'en a pas fait une enzyme particulièrement efficace.

Le problème de l'inefficacité

La Rubisco a évolué il y a environ 3,5 milliards d'années, dans une atmosphère presque totalement dépourvue d'oxygène. À l'époque, elle fonctionnait parfaitement : le CO₂ était abondant, l'oxygène était rare et la Rubisco capturait de manière fiable la bonne molécule. Le problème est que l'atmosphère terrestre a considérablement changé depuis lors – et la Rubisco n'a pas suivi le rythme.

Dans l'air riche en oxygène d'aujourd'hui, la Rubisco confond régulièrement l'oxygène avec le CO₂, déclenchant une réaction secondaire inutile appelée photorespiration. Ce processus peut consommer jusqu'à 25 à 30 % de l'énergie qu'une plante a déjà investie dans la photosynthèse, obligeant essentiellement la plante à défaire le travail qu'elle a déjà accompli. De plus, la Rubisco est extraordinairement lente selon les normes enzymatiques, traitant seulement 2 à 10 molécules de CO₂ par seconde – contre des milliers de réactions par seconde pour de nombreuses autres enzymes. Pour compenser, les plantes doivent en produire d'énormes quantités, consacrant jusqu'à 50 % de leurs protéines foliaires à la Rubisco seule.

Le résultat est un goulot d'étranglement fondamental dans l'agriculture. De nombreuses cultures de base les plus importantes au monde – le blé, le riz, le soja – utilisent la voie de photosynthèse de base entraînée par la Rubisco et sont donc entravées par son inefficacité.

Pourquoi c'est important pour la sécurité alimentaire

Selon les chercheurs du projet RIPE (Realizing Increased Photosynthetic Efficiency) de l'Université de l'Illinois, l'amélioration de l'efficacité photosynthétique est l'une des voies les plus prometteuses pour augmenter considérablement les rendements des cultures sans étendre les terres agricoles ni augmenter l'utilisation d'engrais. Les enjeux sont élevés : la demande alimentaire mondiale devrait augmenter de 50 à 70 % d'ici 2050 à mesure que la population augmente et que les régimes alimentaires évoluent, tandis que les terres arables et les réserves d'eau douce restent limitées. Le changement climatique aggrave la pression, car le stress thermique et la sécheresse réduisent encore davantage les performances déjà limitées de la Rubisco.

Même une amélioration modeste de l'efficacité de la Rubisco – par exemple, en réduisant la photorespiration de 20 % – pourrait se traduire par des gains de rendement importants pour les cultures qui nourrissent des milliards de personnes.

Apprendre des algues et des anthocérotes

La nature a déjà résolu le problème de la Rubisco, du moins chez certains organismes. Les algues et certains micro-organismes regroupent la Rubisco dans des compartiments denses appelés pyrénoïdes, qui inondent l'enzyme de CO₂ concentré et réduisent considérablement le risque d'erreur coûteuse de liaison à l'oxygène. On estime que les systèmes à base de pyrénoïdes assurent environ un tiers de toute la fixation du CO₂ sur Terre.

Le défi a été de trouver comment intégrer quelque chose de similaire dans les plantes cultivées. Une percée récente clé est venue de l'étude des anthocérotes – un groupe humble de plantes terrestres non vasculaires. Contrairement aux autres plantes terrestres, les anthocérotes contiennent naturellement des compartiments de type pyrénoïde. Les chercheurs ont découvert qu'une caractéristique moléculaire unique de la protéine Rubisco de l'anthocérote, baptisée région STAR, agit comme un velcro biologique, provoquant le regroupement des molécules de Rubisco. Il est essentiel de noter que lorsque les scientifiques ont introduit cette caractéristique dans d'autres espèces végétales, la Rubisco s'est réorganisée de la même manière – ce qui suggère que le mécanisme est portable et pourrait un jour être transféré au blé ou au riz, selon Technology Networks.

La voie à suivre

L'ingénierie d'un système de concentration du carbone entièrement fonctionnel dans les principales cultures reste un défi de taille. Les chercheurs doivent encore construire les « conduits » moléculaires qui acheminent le CO₂ dans les nouveaux compartiments et l'empêchent de s'échapper. Le processus implique la réingénierie simultanée de plusieurs composants en interaction – une tâche qui prendra probablement des années d'essais sur le terrain avant qu'une culture modifiée n'atteigne les agriculteurs.

Pourtant, le domaine progresse rapidement. De l'évolution dirigée de la Rubisco elle-même à la transplantation en gros de la machinerie de photosynthèse des algues, les scientifiques disposent aujourd'hui de plus d'outils que jamais pour s'attaquer à ce qui pourrait être le plus grand travail inachevé de l'évolution. S'ils réussissent, les retombées pourraient être parmi les avancées agricoles les plus importantes de l'histoire.