Simuler la structure des protéines
Dans le domaine de la santé, la connaissance des
protéines et de leur structure est primordiale. Les protéines sont extrêmement importantes dans l’organisme car elles interviennent dans la plupart des processus biologiques. Elles sont de plusieurs sortes :
- les enzymes catalysent la majorité des réactions chimiques de la cellule,
- d’autres protéines interviennent dans la signalisation, la régulation du métabolisme ou la défense immunitaire.
Les protéines sont des polymères d’acides aminés, constitués en chaîne (chacune comportant quelques centaines d’acides aminés), liés les uns aux autres de façon très précise. Leur architecture est donc spécifique et peut prendre plusieurs formes : boucles, hélices… La fonction et les mécanismes d’action d’une protéine sont étroitement liés à son repliement tridimensionnel.
Déterminer la structure d’une protéine à partir de sa formule chimique passe d’abord par l’expérimentation.
Pour cela, deux techniques sont utilisées :
- la
cristallographie ou bio-cristallographie consiste à trouver le solvant dans lequel la protéine va cristalliser, puis à déduire sa structure en étudiant la déviation des rayonnements X sur ce cristal (diffraction des rayons X émis par un synchrotron) ;
- la résonance magnétique nucléaire.
Simulation de protéine. © CEA/DSV
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Ces deux techniques expérimentales ont permis de constituer une base de données riche de l’identité de plusieurs centaines de protéines, utilisée pour concevoir des modèles.
La modélisation doit suivre un processus rigoureux afin de déterminer les études et les calculs à effectuer, selon cinq étapes :
-
la composition : le nombre, le type, le caractère chimique et l’environnement des molécules sont précisés ;
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la nature des forces et leur énergie « potentielle » : la protéine est constituée en moyenne de 150 acides aminés, soit 1 500 atomes de carbone, oxygène, azote, hydrogène et soufre assemblés les uns aux autres, qui interagissent par des forces. Les algorithmes utilisent cette énergie pour identifier les différentes configurations possibles de la protéine ;
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la sélection des conditions initiales : la position et la vitesse de chaque atome ;
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la simulation du comportement de la protéine : la résolution d’équations décrivant le mouvement des atomes. Sur de puissants ordinateurs, la simulation peut durer quelques semaines pour une molécule constituée de 50 000 atomes ;
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l’analyse des résultats en appliquant les outils statistiques. Elle doit relier les résultats obtenus par la simulation aux quantités qui sont mesurées par les expérimentations. Les chercheurs, grâce à des logiciels 3D ou de « conception assistée par ordinateur » (CAO), peuvent visualiser sur leur écran d’ordinateur ou sur des murs d’images le dépliement d’une protéine en plans fixes ou en version animée.
Les intérêts sont de mieux connaître certaines affections et de développer de nouveaux antibiotiques, médicaments, ou molécules
biomimétiques.
La simulation permet de vérifier la cohérence globale du Meccano cosmique.
Simuler l'univers
En astrophysique, l’expérimentation en laboratoire est impossible. Les diverses observations des objets extraordinairement complexes que sont le système solaire, les étoiles, les galaxies, jusqu’à l’Univers dans sa globalité, sont donc complétées par la simulation numérique. Mieux comprendre l’Univers, sa formation, son évolution est une recherche longue et difficile, fondée sur des hypothèses qu’il faut tester, étudier, « disséquer » pour construire des modèles réalistes. Des processus individuellement complexes, comme l’expansion de l’Univers, la force de gravité, la mécanique des fluides autogravitants, la physique atomique doivent être traités de façon couplée.
La simulation permet de vérifier la cohérence globale de ce Meccano cosmique. La génération d’un univers virtuel par la simulation numérique se fonde d’abord sur les conditions initiales de l’Univers, telles qu’on les observe sur le fond diffus cosmologique.
La simulation permet ensuite de faire évoluer le système sur un certain nombre de pas de temps (en cosmologie, le pas de temps typique est de l’ordre d’un million d’années) tout au long de l’évolution de l’Univers. Les résultats sont ensuite comparés aux observations (le nombre, la forme et l’arrangement des galaxies). L’espace à étudier étant très vaste, les chercheurs doivent donc limiter leur champ de recherche à des zones réduites, mais qui nécessitent toutefois plusieurs milliards de mailles. Ces simulations gigantesques sont réalisées au sein de grandes collaborations nationales et internationales.
Simulation des turbulences du milieu interstellaire couvrant une région de 50 années-lumière réalisée avec le code Héraclès. © CEA/DSM
En octobre 2006, le passé de la
galaxie d’Andromède a été découvert par une équipe internationale d’astrophysiciens. Edwin Hubble l’avait déjà observée en 1929 et en avait déduit la nature des galaxies et l’expansion de l’Univers. Puis une caméra infrarouge, installée sur le satellite Spitzer, a cartographié l’émission de poussières et de macromolécules. Ces observations successives ont permis de découvrir que la galaxie d’Andromède est constituée de deux anneaux : un grand externe et un plus petit interne. Pour remonter à l’origine de cette structure particulière, les chercheurs ont étudié une soixantaine de simulations numériques d’évolution des galaxies. Leur conclusion est que le disque de la galaxie d’Andromède a été percuté et traversé par une petite galaxie, presque en son centre, il y a 200 millions d’années. Ce choc a provoqué différentes ondes qui se sont répercutées dans son disque, comme des « ronds dans l’eau » lorsqu’on y jette un objet. Cette découverte permet de montrer que les galaxies continuent à interagir et à se modifier.