Depuis les travaux du botaniste allemand Theodor Wilhelm Engelmann dans les années 1880, qui ont permis d'établir que les plantes doivent leur capacité à capturer la lumière et à produire de l'oxygène à la présence des chloroplastes dans le cytoplasme, d'importantes découvertes ont jalonné l'histoire des recherches sur la production d'énergie par cet organite cellulaire végétal, dont certaines furent récompensées par un Prix Nobel :

• la mise en évidence de la séquence des réactions chimiques impliquées dans l'assimilation du dioxyde de carbone sous forme de sucres à trois atomes de carbone au sein du stroma : Melvin Calvin, Prix Nobel de Chimie en 1961 (www.nobel.se/chemistry/laureates/1961/) ;
• la théorie chimiosmotique, qui établit l'existence d'un couplage entre l'acidification du lumen des thylakoïdes et la synthèse d'ATP dans les membranes thylakoïdiennes : Peter D. Mitchell, Prix Nobel de Chimie en 1978 (www.nobel.se/chemistry/laureates/1978/) ;
• la détermination de la structure moléculaire en trois dimensions du « capteur d'énergie lumineuse » (composé de protéines associées à des pigments) chez la bactérie Rhodopseudomonas viridis : Johann Deisenhofer, Robert Huber et Hartmut Michel, Prix Nobel de Chimie en 1988 (www.nobel.se/chemistry/laureates/1988/) ; Rhodopseudomonas appartient à la catégorie des bactéries douées de photosynthèse, que l'on nomme cyanobactéries ;
• l'élucidation du mécanisme moléculaire par lequel des protéines spécialisées, insérées dans la membrane des thylakoïdes et portant le nom d'ATP-synthases, synthétisent l'ATP en exploitant, comme l'a montré précédemment Mitchell, la différence de pH de part et d'autre de la membrane thylakoïdienne : Paul Boyer et John Walker, Prix Nobel de Chimie en 1997 (www.nobel.se/chemistry/laureates/1997/).

Depuis environ une trentaine d'années, les chercheurs se sont également intéressés à l'enveloppe, car ils ont alors mis au point une procédure permettant la purification de chloroplastes intacts, une étape indispensable à l'obtention de ces membranes. A partir de ce matériel, ils ont pu identifier des composants de nature protéique, ancrés dans la membrane, dont le rôle est de sélectionner, parmi les protéines dont l'information génétique se trouve dans le noyau de la cellule et qui sont donc synthétisées dans le cytoplasme, celles qui doivent être importées dans le chloroplaste, où elles peuvent exercer leur activité. Sur les 2000 à 2500 protéines différentes qui oeuvrent au sein du chloroplaste, seule une centaine d'entre elles est codée par le génome de cet organite cellulaire. Toutes les autres sont donc codées par l'ADN du noyau de la cellule végétale, synthétisées au sein du cytoplasme et dirigées ensuite vers le chloroplaste. L'étude de la signalisation cellulaire assurant l'acheminement correct des protéines codées par le génome du noyau vers leur destination finale dans la cellule (la mitochondrie, le chloroplaste, le reticulum endoplasmique, etc.) a également été récompensée par un Prix Nobel de la catégorie «physiologie ou médecine», attribué à Günter Blobel en 1999 (www.nobel.se/medicine/laureates/1999/). Et là aussi il est question notamment d'énergie! En effet, d'une part, ces aiguillages de protéines sont impossibles sans dépense d'énergie (sous forme de nucléotides triphosphates tels que l'ATP et le GTP), d'autre part, ils sont indispensables au fonctionnement même de l'organite cellulaire et par conséquent à sa production d'énergie.