Les coquilles des diatomées aident à transformer la lumière en énergie

Une nouvelle étude a révélé comment les coquilles en verre des diatomées aident ces organismes microscopiques à réaliser la photosynthèse dans des conditions de faible luminosité. Une meilleure compréhension de la manière dont ces phytoplanctons récoltent la lumière et interagissent avec elle pourrait permettre d’améliorer les cellules solaires, les dispositifs de détection et les composants optiques.

« Le modèle de calcul et la boîte à outils que nous avons mis au point pourraient ouvrir la voie à des dispositifs optiques durables et fabriquables en masse, ainsi qu’à des outils de récolte de la lumière plus efficaces, basés sur des coquilles de diatomées« , a déclaré Santiago Bernal, membre de l’équipe de recherche de l’université McGill au Canada. « Cela pourrait être utilisé pour des dispositifs biomimétiques de détection, de nouvelles technologies de télécommunications ou des moyens abordables de produire de l’énergie propre.« 

Les diatomées sont des organismes unicellulaires présents dans la plupart des plans d’eau. Leur coquille est couverte de trous qui réagissent différemment à la lumière selon leur taille, leur espacement et leur configuration. Dans la revue Optical Materials Express, les chercheurs, dirigés par David V. Plant et Mark Andrews de l’Université McGill, rapportent la première étude optique d’une coquille entière de diatomée. Ils ont analysé comment les différentes sections de la coquille, ou frustule, répondent à la lumière du soleil et comment cette réponse est liée à la photosynthèse.

« Sur la base de nos résultats, nous estimons que la frustule peut contribuer à stimuler la photosynthèse à hauteur de 9,83 %, en particulier lors des transitions entre un fort et un faible ensoleillement », a déclaré Yannick D’Mello, premier auteur de l’article. « Notre modèle est le premier à expliquer le comportement optique de l’ensemble du frustule. Il contribue donc à l’hypothèse selon laquelle le frustule améliore la photosynthèse chez les diatomées. »

Combiner microscopie et simulation

Les diatomées ont évolué pendant des millions d’années pour survivre dans n’importe quel environnement aquatique. Cela inclut leur coquille, qui est composée de nombreuses régions qui travaillent ensemble pour récolter la lumière du soleil. Pour étudier la réponse optique des frustules de diatomées, les chercheurs ont combiné des simulations optiques par ordinateur avec plusieurs techniques de microscopie.

Ils ont commencé par imager l’architecture de la frustule à l’aide de quatre techniques de microscopie à haute résolution : microscopie optique à balayage en champ proche, microscopie à force atomique, microscopie électronique à balayage et microscopie à fond noir. Ils ont ensuite utilisé ces images pour informer une série de modèles que les chercheurs ont construits pour analyser chaque partie du frustule via des simulations en 3D.

À l’aide de ces simulations, les chercheurs ont examiné comment différentes couleurs de lumière solaire interagissaient avec les structures et ont identifié trois principaux mécanismes de récolte solaire : la capture, la redistribution et la rétention. Cette approche leur a permis de combiner les différents aspects optiques de la frustule et de montrer comment ils fonctionnent ensemble pour faciliter la photosynthèse.

« Nous avons utilisé différentes simulations et techniques de microscopie pour examiner chaque composant séparément« , a déclaré D’Mello. « Nous avons ensuite utilisé ces données pour construire une étude sur la façon dont la lumière interagit avec la structure, depuis le moment où elle est capturée, jusqu’à l’endroit où elle est distribuée ensuite, la durée de sa rétention et jusqu’au moment où elle est probablement absorbée par la cellule. »

Stimuler la photosynthèse

L’étude a révélé que les longueurs d’onde avec lesquelles la coquille interagissait coïncidaient avec celles absorbées pendant la photosynthèse, ce qui suggère qu’elle pourrait avoir évolué pour aider à capturer la lumière du soleil. Les chercheurs ont également constaté que différentes régions du frustule pouvaient redistribuer la lumière à absorber à travers la cellule. Cela suggère que la coquille a évolué pour maximiser l’exposition de la cellule à la lumière ambiante. Leurs résultats indiquent également que la lumière circule à l’intérieur de la frustule suffisamment longtemps pour favoriser la photosynthèse pendant les périodes de transition entre un éclairage élevé et un faible éclairage.

Le nouveau modèle de frustule pourrait permettre de cultiver des espèces de diatomées qui récoltent la lumière à différentes longueurs d’onde, ce qui permettrait de les personnaliser pour des applications spécifiques. « Ces mécanismes de récolte de la lumière par les diatomées pourraient être utilisés pour améliorer l’absorption des panneaux solaires en permettant à la lumière du soleil d’être collectée sous un plus grand nombre d’angles, éliminant ainsi partiellement la dépendance du panneau à l’égard du soleil« , a déclaré Bernal.

Les chercheurs s’efforcent maintenant d’affiner leur modèle et prévoient d’appliquer leur nouvelle boîte à outils à l’étude d’autres espèces de diatomées. Après cela, ils prévoient d’étendre le modèle au-delà des interactions lumineuses au sein d’une seule frustule pour examiner les comportements entre plusieurs frustules.

Crédit : Santiago Bernal, McGill University

Ce travail rend hommage à Dan Petrescu, qui est décédé l’année dernière. Cette recherche n’aurait pas été possible sans ses idées, son aide et son dévouement.

Article : Y. D’Mello, S. Bernal, D. Petrescu, J. Skoric, M. Andrews, D. V. Plant, « Solar energy harvesting mechanisms of the frustules of Nitzschia filiformis diatoms, » Opt. Mater. Express 12, 12, pp. 4665-4681 (2022).