Comment les électrons et les cellules sanguines s'écoulent

Les professeurs de l'ETH Mathieu Luisier du Institut des systèmes intégrés et Joost VandeVondele, directeur de la Groupe Nanoscale Simulations à l'ETH Zurich ont combiné avec leurs équipes respectives deux logiciels et ont également développé un nouvel algorithme permettant d'exploiter au mieux les systèmes informatiques hybrides composés d'unités centrales traditionnelles et de processeurs graphiques (GPU). Ils sont ainsi parvenus à réduire de 50 fois le temps nécessaire à la simulation des nanocomposants et à augmenter leur taille à plus de 50 000 atomes. Le nombre d'atomes correspond à la taille réelle d'un nanocomposant. "Jusqu'à présent, les modèles à forte intensité de calcul ne permettaient en général que de simuler des systèmes composés de 1000 atomes au maximum", souligne Luisier.

Pour simuler le comportement des nanocomposants, il faut tenir compte des effets quantiques qui se produisent dans les structures minuscules. Luisier travaille depuis plus de dix ans sur un logiciel appelé OMEN. Le chercheur s'est maintenant associé à VandeVondele, qui a contribué au développement du code CP2K. Ce code est spécialisé dans la détermination de la répartition des électrons "ab-initio" - c'est-à-dire sur la base de lois physiques sans prise en compte de données empiriques - par ce que l'on appelle des fonctions d'onde dans un système fermé en soi. Les molécules qui composent un nanotransistor constituent un tel système. Mais si une tension est appliquée au transistor, les électrons le traversent. Pour simuler leur transport, OMEN calcule leur flux ainsi que l'interaction entre les électrons qui traversent le transistor. Tant les calculs ab initio des propriétés des cristaux avec CP2K que ceux du transport des électrons avec LUS sont extrêmement complexes.

En optimisant les deux codes logiciels pour les systèmes informatiques hybrides sur l'ordinateur Piz Daint et en développant un nouvel algorithme, appelé splitsolver, les doctorants Sascha Brück et Mauro Calderara ont réussi à réduire considérablement le temps de calcul et à calculer des structures de plus de 50 000 atomes. Le splitsolver permet le calcul parallèle sur les CPU et les GPU.

"Nous avons redéfini les limites dans le domaine des simulations de transport quantique à l'aide de titane", explique Luisier. "Les simulations sont si proches de la réalité qu'elles ont une utilité directe pour la recherche expérimentale sur les nanocomposants".

In-Silico Lab-on-a-Chip

La deuxième équipe de chercheurs de l'ETH nominée pour le prix Gordon Bell est dirigée par le professeur de l'ETH Petros Koumoutsakos du Laboratoire de science et d'ingénierie computationnelles (CSElab) a été dirigé. En collaboration avec des chercheurs de l'Università della Svizzera italiana, des Etats-Unis (Brown University, NVIDIA) et d'Italie (CNR et University of Rome), l'équipe a pu simuler sur du titane le flux micrométrique de globules rouges et de cellules tumorales gr?ce à un arrangement géométrique. Selon les chercheurs, cette étude redéfinit les limites des simulations de flux à travers des structures à l'échelle micrométrique, tout en améliorant les détails géométriques et le nombre de cellules de deux ordres de grandeur..

Les informaticiens ont ainsi pu reproduire des expériences de laboratoire (lab-on-a-chip) menées par d'autres chercheurs, qui étudient comment filtrer les cellules tumorales dans le sang via de tels procédés.

Comme dans l'expérience, la simulation montre du sang qui passe à travers un système de colonnes disposées en rangées, d'une section et d'une taille déterminées. Les globules rouges, qui ne mesurent qu'environ huit micromètres, se déplacent imperturbablement à travers ces dispositions en raison de leur conception et de la géométrie des colonnes. Les cellules tumorales, environ trois fois plus grandes, entrent toutefois en collision de manière répétée avec les colonnes, ce qui les fait tourner et les fait progressivement dériver latéralement hors de la disposition. Elles peuvent ainsi être séparées du flux sanguin et identifiées.

Chercher une cellule tumorale dans le sang, c'est comme chercher une aiguille dans une botte de foin qui coule, dit Koumoutsakos : dans un milliard de globules rouges, il y a une cellule tumorale. Or, les cellules tumorales dans le sang sont responsables du fait que 90 pour cent des huit millions de victimes du cancer meurent chaque année de métastases. Par millilitre de sang, l'être humain compte entre quatre et six milliards de globules rouges. De tels dispositifs de séparation pourraient donc être utilisés pour le diagnostic, et peut-être même un jour pour éliminer les cellules tumorales du sang.

Le "In-Silico Lab-on-a-Chip", comme Koumoutsakos appelle la simulation, reproduit les expériences de laboratoire et les étaye. Le professeur de l'ETH est convaincu que de telles simulations numériques peuvent aider l'industrie pharmaceutique.

Coup de projecteur sur le cancer

Koumoutsakos et son équipe se consacrent depuis plus d'une décennie à l'étude des processus impliqués dans la croissance tumorale. Après avoir simulé l'angiogenèse, c'est-à-dire la manière dont les cellules tumorales stimulent la croissance des vaisseaux sanguins et permettent ainsi le transport de ces cellules dans la circulation sanguine, son objectif suivant était de simuler le flux sanguin dans les capillaires du système sanguin. Il voulait ainsi rendre visible la manière dont les cellules y interagissent. "Mais le problème, c'est que les vaisseaux sanguins générés par la tumeur sont tellement imbriqués les uns dans les autres qu'il n'existe pas de bonne description à ce sujet. C'est pourquoi nous ne sommes pas en mesure de les reconstruire dans les simulations", explique Koumoutsakos.

Après avoir vu les expériences réelles de séparation des cellules tumorales, il a eu l'idée d'utiliser ce moyen pour étudier le comportement des cellules dans le sang. George Karniadakis de l'université de Brown avait le savoir-faire nécessaire pour simuler ce qu'on appelle la dynamique dissipative des particules, qui permet de simuler le flux sanguin comme une sorte de collection de particules individuelles. Diego Rossinelli du CSElab et d'autres membres de l'équipe ont assemblé les approches en un modèle et ont optimisé les codes avant de réussir la simulation sur Titan.