Berkley Walker veut remanier la photosynthèse pour un climat en mutation.

Berkley Walker n'avait pas prévu de devenir scientifique ; il voulait être entrepreneur. Et il a commencé tôt à travailler sur cet objectif : au lycée à Portland, en Oregon, il a créé une entreprise de barres granola, ce qui lui a permis de financer sa licence en microbiologie.

Après l'université, Walker a travaillé en tant que chef de produit dans une entreprise d'instruments de Washington, prévoyant d'aller à l'école de commerce puis de se lancer dans la biotechnologie. Mais un cours sur la biophysique environnementale à l'université d'État de Washington en 2009 a changé sa trajectoire.

Le cours portait sur l'utilisation des mathématiques pour modéliser les systèmes physiques naturels. "En travaillant sur ces mathématiques pour comprendre comment l'énergie et la matière s'échangent dans l'environnement", dit Walker, "c'était tout ce dont j'avais besoin." Il a décidé de se lancer dans une carrière de scientifique spécialisé dans les plantes. "Je voulais avoir une utilité pour le monde", dit Walker. "Nourrir les gens, c'est là où je me suis fixé."

Aujourd'hui, à l'université du Michigan, Walker veut comprendre les détails complexes du fonctionnement de la photosynthèse, dans le but ultime de l'améliorer.

Il reste profondément fasciné par les plantes: "Vous prenez simplement cette petite graine, vous la mettez dans le sol et ensuite vous obtenez cette plante", dit-il. "Et elle étend ces feuilles. Et ces feuilles prennent simplement le soleil, elles éliminent le dioxyde de carbone de l'atmosphère et l'utilisent pour produire la nourriture que nous mangeons, les vêtements que nous portons, l'air que nous respirons, l'énergie que nous consommons. Et c'est tout simplement miraculeux."

Mais aussi impressionnante que soit la photosynthèse, elle est étonnamment inefficace. Une feuille ne convertit qu'environ 1 % de la lumière du soleil en énergie utilisable, dit Walker. C'est en partie dû aux erreurs commises dans la première étape de la photosynthèse. L'enzyme qui capture les molécules de CO2 et les fixe au sucre fait beaucoup d'erreurs, en attrapant la plupart du temps de l'oxygène à la place. Ces erreurs donnent un composé qui inhibe en réalité la photosynthèse. La photorespiration, une sorte de processus de recyclage, élimine ce composé, mais la photorespiration nécessite beaucoup d'énergie.

Les pertes dues à ce recyclage dans le Midwest américain pendant une saison moyenne de culture du blé et du soja s'élèveraient à environ 148 billions de calories alimentaires, selon Walker. "Si vous deviez convertir ces calories en équivalents de beignets", dit-il, "vous auriez une pile de beignets qui irait de la Terre à la Lune environ 11 fois."

Toute amélioration d'efficacité pourrait faire une énorme différence dans la productivité agricole. Mais d'abord, les scientifiques doivent mieux comprendre comment fonctionne la photorespiration.

Pour cela, Walker a développé une technique innovante pour tracer les molécules de carbone dans les feuilles, une recherche rapportée dans un article de 2022 dans Nature Plants. Les chercheurs utilisaient une analyse des flux, qui révèle les mouvements des molécules à travers le réseau métabolique des plantes. Mais ils avaient besoin d'un meilleur moyen de figer le métabolisme d'une plante. Le problème était qu'il n'y avait aucun moyen de pulvériser de l'azote liquide dans la chambre de l'instrument qui contenait les feuilles.

Après avoir parlé aux ingénieurs de l'entreprise qui fabrique l'instrument, Walker a décidé de faire un trou dans la chambre pour que son équipe puisse insérer une buse pour pulvériser de l'azote liquide et frapper la surface de la feuille instantanément. "C'est une étape vraiment cruciale", dit Xinyu Fu, qui a été post-doc dans le laboratoire de Walker pendant les quatre dernières années. Beaucoup de choses pourraient changer en 10 secondes, le temps nécessaire pour ouvrir la chambre et sortir la feuille.

Les travaux ont révélé que jusqu'à environ 40 % de l'acide aminé carboné sérine produit pendant la photorespiration est détourné par la plante pour être utilisé à quelque chose - peut-être la synthèse des protéines - plutôt que de passer tout le processus de recyclage. Cela suggère qu'une optimisation de la photorespiration dans le contexte du changement climatique pourrait donner des cultures plus nutritives et riches en protéines. Mais "alors que nous essayons de le changer", dit Walker, "nous devons comprendre les compromis qui pourraient exister."

Les collègues qui connaissent le mieux Walker soulignent son désir de collaborer comme l'une de ses forces, ainsi que sa générosité d'esprit.

Don Ort, un scientifique des plantes à l'université de l'Illinois Urbana-Champaign et conseiller post-doc de Walker pendant près de trois ans, dit que Walker est un enseignant et un collègue engagé. "Participer à l'éducation des étudiants diplômés et des post-doctorants est une passion pour lui", dit Ort. "Il est très passionné par ce qu'il fait. Il le fait avec un très haut niveau d'enthousiasme et un très haut niveau d'optimisme. Et cela est contagieux pour les gens qui l'entourent."

Walker voit la science des plantes comme une grande communauté qui essaie de résoudre deux grands problèmes : comment rendre les cultures plus productives pour nourrir une population croissante, et comment le faire dans un climat changeant, ce qui peut poser un certain nombre de défis à l'agriculture. Et il croit que nous verrons des solutions dans les décennies à venir, qu'elles proviennent de son laboratoire ou d'un autre.

“Whoever comes up with those, and if they’re shown to work and work repeatedly in a lot of crops, then that’s a really big deal,” he says. “That’s the kind of idea that we’re chasing.”

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