Un bond de géant pour la modélisation des protéines du virus du Covid-19

Publié par Isabelle le 25/03/2021 à 13:00
Source: CNRS INC
Les simulations permettent de trouver des failles dans les protéines des virus, mais plus les modèles sont précis et plus ils sont gourmands en temps de calcul.

Des chercheurs du LCT (CNRS/Sorbonne Université), de l'IP2CT (CNRS/Sorbonne Université), de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) du Texas à Austin (États-Unis) et du GBMC (CNAM/HÉSAM Université) ont obtenu une simulation d'une protéine (Une protéine est une macromolécule biologique composée par une ou plusieurs...) cruciale du virus (Un virus est une entité biologique qui nécessite une cellule hôte, dont il utilise...) responsable de la pandémie (Une pandémie (du grec ancien πᾶν / pãn (tous) et...) Covid-19 en deux semaines de calcul, alors que, à définition (Une définition est un discours qui dit ce qu'est une chose ou ce que signifie un nom. D'où la...) égale, les anciens procédés auraient pris une dizaine d'années. Ils ont pour cela adapté leurs codes à la simulation à champs de force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) polarisables, une méthode capable de mimer des phénomènes quantiques souvent négligés malgré leur importance dans la structure des protéines (La structure des protéines est la composition en acides aminés et la conformation en...).

En parallèle de la publication de ces travaux dans la revue Chemical Science, l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection...) des programmes informatiques impliqués ont été mis à disposition de la communauté scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui...) afin de lutter contre l'épidémie.


Modélisation de la protéase, les flèches indiquent trois sites d'intérêt étudiés lors de ces travaux. © Jaffrelot-Inizan et al. © Jean-Philip Piquemal

Afin de développer des traitements efficaces contre le Covid-19, des simulations ont été développées pour étudier la structure 3D de différentes protéines du virus SARS-CoV-2, ainsi que leur évolution sur de courtes échelles de temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...). Un modèle réaliste de cette cible protéique permettrait de repérer des points faibles sur lesquels se focaliser, afin de trouver quelles molécules pharmaceutiques sont capables de les attaquer. Bien menée, cette approche est beaucoup plus rapide et efficace que s'il fallait passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques...) au crible tous les composés disponibles: seules les molécules repérées comme prometteuses par la simulation sont alors testées.

La protéase principale du virus est une cible très importante car cette protéine, impliquée dans la réplication du virus, mute (MUTE était un réseau d'échange de fichiers de « troisième...) peu. Ainsi, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) médicament (Un médicament est une substance ou une composition présentée comme possédant...) qui parviendrait à l'empêcher de fonctionner serait efficace contre l'ensemble des variants possibles du virus, comme c'est le cas de la trithérapie (La trithérapie se dit de tout traitement médicamenteux comprenant trois principes actifs...) qui bloque la protéase du VIH. Mais pour simuler cette protéine, le modèle doit comprendre 100 000 atomes et gérer leurs interactions au sein de la molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui...) de la manière la plus réaliste possible pour être prédictif. Les simulations habituelles calculent ces phénomènes en ne prenant en compte que les comportements physiques et chimiques basés sur la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) classique. Les phénomènes quantiques ont pourtant un impact fort sur la structure des protéines, mais les introduire, même de façon approchée, complique tellement les calculs qu'il faudrait alors des dizaines d'années pour simuler la protéase principale de SARS-CoV-2 sur des supercalculateurs.

Des chercheurs du Laboratoire de chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à...) théorique (LCT, CNRS/Sorbonne Université), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) parisien de chimie physique (La chimie physique est l’étude des bases physiques des systèmes chimiques et des...) et théorique (IP2CT, CNRS/Sorbonne Université), de l'Université du Texas à Austin (États-Unis) et du laboratoire Génomique (La génomique est une discipline de la biologie moderne. Elle étudie le fonctionnement...), bioinformatique et chimie moléculaire (GBMC, CNAM/HÉSAM Université) sont cependant parvenus à obtenir une telle simulation en haute-définition en seulement deux semaines, sur le supercalculateur Jean Zay (Jean Zay est un homme politique français, né à Orléans (Loiret) le 6 août...) du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...).

Leur méthode, dite à champs de force polarisables, prend en compte les effets à n-corps, c'est-à-dire le phénomène quantique qui veut que le total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) des interactions entre plusieurs atomes soit différent de la somme de leurs interactions deux à deux. Ce phénomène est ici mimé en donnant à chaque atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut...) la capacité de se déformer, en faisant en sorte qu'il ne soit plus considéré comme une simple sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...) et reproduise ainsi mieux les fluctuations de ces interactions.

En plus de gagner en précision, l'approche théorique a été reformulée pour pouvoir utiliser efficacement le calcul haute performance (HPC). Cela a permis de modéliser le comportement de la protéase sur 40 microsecondes, soit 400 fois plus longtemps que les simulations généralement produites dans les études du domaine, qui nécessitent plusieurs mois (Le mois (Du lat. mensis «mois», et anciennement au plur. «menstrues») est une période de temps...) de calcul. Ce saut technologique a été rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie)...) possible en adaptant les codes de simulation à l'utilisation simultanée de centaines de processeurs graphiques (GPU), présents sur les supercalculateurs Jean Zay et Joliot Curie, du Très grand centre de calcul du CEA (TGCC).

Les données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) ainsi que le programme utilisé dans ces travaux, appelé Tinker-HP, ont été mis à la libre disposition de la communauté scientifique, afin de soutenir la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) contre le Covid-19 (https://github.com/TinkerTools/tinker-hp). Un consortium public/privé s'est également monté avec les coauteurs et des laboratoires expérimentaux pour trouver, à partir de ces simulations, puis de synthétiser les meilleures molécules candidates capables de s'attaquer au virus.

Référence:
High-Resolution Mining of SARS-CoV-2 Main (La main est l’organe préhensile effecteur situé à...) Protease Conformational Space: Supercomputer-Driven Unsupervised Adaptive Sampling
Theo Jaffrelot-Inizan, Frédéric Celerse, Olivier Adjoua, Dina El Ahdab, Luc-Henri Jolly, Chengwen Liu (Liu (chinois : 柳宿, pinyin : liǔ xiù) est une loge lunaire de...), Pengyu Ren, Matthieu Montes, Nathalie Lagarde, Louis Lagardère, Pierre Monmarché and Jean-Philip Piquemal Chem. Sci., 2021, Accepted Manuscript.
https://doi.org/10.1039/D1SC00145K

Contacts:
- Jean-Philip Piquemal - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la...), Laboratoire de chimie théorique (CNRS/Sorbonne Université) - jean-philip.piquemal at sorbonne-universite.fr
- Christophe Cartier dit Moulin (Un moulin est une machine à moudre les grains de céréale en farine et, par analogie,...) - Chercheur à l'Institut parisien de chimie moléculaire & Chargé de mission pour la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) scientifique de l'INC - inc.communication at cnrs.fr
- Anne-Valérie Ruzette - Chargée scientifique pour la communication - Institut de chimie du CNRS - anne-valerie.ruzette at cnrs.fr
- Stéphanie Younès - Responsable Communication - Institut de chimie du CNRS - inc.communication at cnrs.fr
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