Au cours de la photosynthèse, la chlorophylle des plantes absorbe des paquets d’énergie appelés photons provenant de la lumière du soleil. Cette énergie est ensuite transférée à une série d’autres molécules de chlorophylle organisées par un échafaudage protéique, ce qui conduit au transfert d’énergie vers l’étape suivante de la photosynthèse.
Les premières étapes de collecte de lumière de la photosynthèse impliquent une excitation répétée des pigments, lorsque des photons passent entre eux. Pour capturer ces processus hautement dynamiques, la professeure agrégée du MIT Gabriella Schlau-Cohen utilise la spectroscopie ultrarapide, une technique qui utilise des impulsions laser extrêmement courtes pour étudier les événements qui se produisent sur des échelles de temps de la femtoseconde à la nanoseconde.
Avec cette approche, Schlau-Cohen a fait des découvertes qui révèlent comment la photosynthèse est régulée dans différentes conditions d’éclairage, ainsi que la façon dont les plantes se protègent des dommages en diffusant l’excès de lumière solaire.
« Nous sommes vraiment intéressés à comprendre la dynamique des états excités électroniquement, dans la photosynthèse et d’autres systèmes », dit-elle. « Nous étudions comment l’énergie peut se déplacer à travers les systèmes moléculaires et ce qui contrôle la nature et l’efficacité de cette migration, en particulier dans les grands réseaux de protéines que l’on trouve dans la photosynthèse. »
Ils utilisent également d’autres techniques de spectroscopie pour étudier comment les protéines changent rapidement de forme lorsqu’elles se lient à des cibles spécifiques – par exemple, lorsque les récepteurs à la surface des cellules se lient à des stimuli tels que des facteurs de croissance ou d’autres molécules de signalisation.
Interactions moléculaires
En tant qu’élève du secondaire dans la banlieue de Philadelphie, Schlaw-Cohen aimait la chimie et était particulièrement fasciné par le phénomène connu sous le nom de dualité onde-particule : le concept selon lequel la matière physique peut avoir à la fois des propriétés ondulatoires et particulaires.
« Je me souviens d’avoir appris la dualité des ondes et des particules dans les cours de chimie du lycée, et c’est à ce moment-là que je me suis vraiment intéressée à la chimie. J’avais un professeur de chimie vraiment talentueux qui a donné vie à toutes les interactions moléculaires », dit-elle.
À l’Université Brown, elle s’est spécialisée en physique chimique, ce qui lui a permis d’explorer les propriétés physiques des molécules et des systèmes moléculaires. Là, elle a utilisé la microscopie ultrarapide pour étudier des processus rapides tels que le transfert d’énergie entre les états électroniques des molécules.
Après avoir obtenu son diplôme universitaire, elle a passé trois ans à New York en tant qu’organisatrice communautaire pour le Working Families Party, travaillant sur des campagnes telles que l’aide à l’augmentation du salaire minimum de l’État de New York.
« Les questions de justice sociale et économique ont toujours été très importantes pour moi, et j’y ai participé tout au long du lycée et du collège, donc c’était un intérêt qui était là en plus de la chimie », dit-elle. « Mais pendant que je faisais ce travail, j’ai commencé à manquer le défi intellectuel de la science, et cela m’a amené à envisager de retourner à la science, alors j’ai ensuite postulé pour des études supérieures. »
J’ai décidé d’aller à UC Berkeley, où j’ai travaillé dans un laboratoire qui utilisait un type de spectroscopie ultrarapide appelée spectroscopie multidimensionnelle. À l’aide de cette technique, elle a étudié le transfert d’énergie qui se produit dans les complexes photosynthétiques collecteurs de lumière, jusqu’au niveau des protéines individuelles au sein du complexe.
« Alors que nous étudions ces protéines photosynthétiques, les simulations que je faisais avec le travail expérimental montraient que si vous regardiez une seule protéine, le comportement de cette protéine était non seulement quantitativement mais qualitativement différent de ce que nous pouvions voir dans le groupe. . », comme tu dis.
En tant que chercheuse postdoctorale à l’Université de Stanford, elle a ensuite analysé de près le comportement de ces protéines photosynthétiques individuelles, en utilisant la spectroscopie à molécule unique. Il a découvert que différentes versions des mêmes protéines peuvent changer de forme, ce qui modifie la durée pendant laquelle elles stockent l’énergie du soleil.
dynamique des protéines
Lors de sa candidature à des postes de professeur, Schlau-Cohen dit qu’elle a été attirée par le talent et l’enthousiasme des étudiants pour la science.
«Lorsque j’ai visité le MIT, l’une des choses qui m’a vraiment marqué était le niveau des étudiants et l’environnement intellectuel qu’ils créaient, où nous pouvions avoir ces conversations vraiment stimulantes et passionnantes sur la science», dit-elle. « Partout au MIT, il y a un réel enthousiasme pour la science et un intérêt à comprendre comment les choses fonctionnent et comment nous pouvons contrôler leur fonctionnement. »
Depuis le début du laboratoire du MIT en 2015, Schlau-Cohen a continué à étudier les systèmes de collecte de lumière. Il utilise la spectroscopie ultrarapide pour étudier comment ces systèmes transmettent l’énergie sur de longues distances et comment ils régulent leur efficacité en réponse aux changements de la lumière du soleil. Pour y parvenir, il améliore également la bande passante spectrale (qui leur permet de surveiller une gamme plus large de niveaux d’énergie) pour la spectroscopie ultrarapide et la résolution temporelle de la spectroscopie à molécule unique.
Son laboratoire a publié plusieurs articles de recherche dans lesquels ils décrivent les mécanismes qui permettent aux plantes d’ajuster la quantité d’énergie qu’elles captent du soleil lorsqu’elles sont exposées à différentes conditions météorologiques, et comment elles préviennent les dommages causés par le soleil. Les mesures d’une seule molécule d’une protéine appelée complexe lié au stress de la récolte de la lumière (LHCSR) ont révélé qu’elle joue un rôle clé dans le contrôle de ces réponses chez les algues vertes et les algues.
En collaboration avec d’autres professeurs du MIT, dont Marc Bathe, professeur de génie biologique, et Adam Willard, professeur adjoint de chimie, elle travaille également à la conception de matériaux synthétiques captant la lumière, en utilisant des structures d’origami d’ADN comme échafaudage.
« Notre objectif est de développer des nanostructures avec des propriétés émergentes similaires ou meilleures que les systèmes photovoltaïques de collecte de lumière, afin que nous puissions vraiment contrôler l’évolution de l’énergie photovoltaïque d’une manière qui imite ou dépasse les performances de la nature », dit-elle. .
Dans un autre domaine de recherche, Schlau-Cohen étudie comment les protéines peuvent répondre à leur environnement en modifiant leur structure. Ce changement de forme est un élément clé des systèmes de transduction de signaux cellulaires, qui contrôlent le flux d’informations à l’intérieur et entre les cellules.
Dans un article récent, elle et Ben Chang, professeur agrégé de chimie au MIT, analysent comment le récepteur du facteur de croissance épidermique (EGFR) change de forme lorsqu’il se lie à sa cible. Ils ont découvert une transformation structurelle à grande échelle qui aide les récepteurs à activer les voies de croissance dans la cellule lorsqu’ils sont activés par l’EGF.
« Nous nous intéressons aux structures de ces protéines et à la manière dont les systèmes biologiques réagissent aux environnements changeants en modifiant la structure, et donc la fonction des éléments constitutifs des protéines », explique Shlau Cohen.
