image: Ancestral cyanobacteria carried out photosynthesis at their plasma membrane. The emergence of thylakoids – internal membranes specialised in photosynthesis – is thought to have subsequently enabled more efficient photosynthesis. Later, primary endosymbiosis led to the emergence of chloroplasts, the compartments where photosynthesis takes place in photosynthetic eukaryotes, such as algae and plants.
Credit: University of Liège / L.Hambücken
Une étude menée par des scientifiques de l'Université de Liège propose des premiers éléments pour comprendre comment sont apparues, au cours de l’évolution, les membranes thylakoïdiennes, ces compartiments internes où se déroule la photosynthèse productrice d’oxygène. En comparant des génomes de cyanobactéries avec et sans thylakoïdes, les chercheurs ont identifié des protéines susceptibles d’avoir contribué à leur formation.
On peut se représenter la feuille d'un arbre comme une petite ville alimentée par de l’énergie solaire. Chaque cellule de cette feuille y abrite une centrale, le chloroplaste, dont les thylakoïdes constituent les panneaux solaires. Ces membranes internes spécialisées (thylakoïdes) assurent les réactions de la photosynthèse qui produit de l’oxygène, aussi bien chez les plantes et les algues que chez les cyanobactéries, dont les chloroplastes sont de lointains descendants. L’apparition des thylakoïdes est considérée comme une étape importante de l’histoire du vivant. En améliorant l’efficacité de la photosynthèse oxygénique, ces structures pourraient avoir contribué à la Grande Oxygénation, survenue il y a environ 2,4 milliards d’années, période au cours de laquelle l’oxygène a commencé à s’accumuler durablement dans l’atmosphère terrestre.
La manière dont ces membranes sont apparues reste pourtant mal comprise. "Le processus est complexe, explique Louise Hambücken, chercheuse au sein du Laboratoire de Phylogénomique des Eucaryotes (ULiège), il associe la formation de la membrane elle-même et l’assemblage - finement coordonné - des protéines qui y sont associées. Et l’on sait encore peu de choses sur la façon dont ces mécanismes se sont mis en place chez les premières cyanobactéries." L’absence de fossiles datant de la période concernée complique encore l’étude de cette partie de notre histoire. Pour l’aborder, l'équipe de l'ULiège - qui étudie l’origine et l’évolution de la photosynthèse chez ces cyanobactéries basales - s'est appuyée sur un groupe de cyanobactéries actuelles, les Gloeobacterales, considérées comme proches de l'état ancestral. " Les Gloeobacterales sont dépourvues de thylakoïdes et elles réalisent la photosynthèse au niveau de la membrane plasmique qui entoure la cellule, reprend la jeune chercheuse." L'équipe de l'Université de Liège a ensuite mené une analyse bioinformatique comparative à large échelle. "En comparant une grande diversité de génomes de cyanobactéries, avec et sans thylakoïdes, nous avons identifié des protéines potentiellement impliquées dans la formation de ces membranes." Il s’agit de la première étude à explorer de cette manière le processus évolutif à l’origine de la formation des thylakoïdes.
La comparaison a également porté sur le photosystème II, dont elle a permis de préciser quelles étapes de l’assemblage étaient déjà présentes, absentes ou différentes chez les Gloeobacterales. Le photosystème II est un grand complexe constitué de protéines et de pigments, enchâssé dans la membrane (thylakoïdienne chez la plupart des cyanobactéries, plasmique chez les Gloeobacterales). C’est l’un des deux "photosystèmes" (d'où son nom de photosystème II) qui réalisent les réactions de la photosynthèse dépendantes de la lumière. Sa particularité est d’utiliser l’énergie lumineuse pour extraire des électrons de l’eau. Cette réaction libère de l’oxygène et des protons, et permet aux organismes photosynthétiques de convertir l’énergie du Soleil en énergie chimique. À l’échelle de l’évolution, ce processus a contribué à l’accumulation progressive d’oxygène dans l’atmosphère terrestre.
"Ces résultats relèvent de la recherche fondamentale et n’ont pas d’application directe immédiate, conclu le Dr Luc Cornet chercheur au sein du Laboratoire de Phylogénomique des Eucaryotes. . Ils offrent toutefois une première base pour reconstruire progressivement l’histoire évolutive des thylakoïdes et mieux comprendre comment la photosynthèse oxygénique s’est optimisée au cours du temps." À plus long terme, mieux comprendre comment s’organisent et se modifient des membranes biologiques spécialisées pourrait aussi ouvrir des perspectives en biotechnologie et en biologie synthétique, autour de la conversion d’énergie dans la cellule. L’étude éclaire ainsi la façon dont les cyanobactéries ont progressivement transféré leur machinerie photosynthétique de la membrane plasmique vers une véritable centrale solaire intérieure : les thylakoïdes.
Journal
New Phytologist
Article Title
Exploring thylakoid emergence: evolution of membrane biogenesis and photosystem II assembly in early-diverging cyanobacteria
Article Publication Date
5-Jun-2026