L'ordinateur comme super-microscope pour les molécules vitales

Si l'on veut comprendre les bases de la vie dans ses moindres détails, on ne peut pas passer à c?té des atomes. Les cellules sont constituées de molécules, elles-mêmes composées d'atomes. Dans le cadre de ses recherches, la professeure de l'ETH Sereina Riniker étudie comment les molécules se déplacent au niveau atomique, et quelles propriétés et quels effets les molécules possèdent ainsi. Sur la base des résultats de sa recherche, il est par exemple possible d'améliorer les propriétés d'éventuelles substances actives pour des médicaments.

Pour son travail dans le domaine de la recherche en chimie assistée par ordinateur, Sereina Riniker a re?u le Prix Latsis 2018 de l'ETH Zurich, qui récompense les travaux scientifiques exceptionnels de chercheurs de l'ETH ?gés de moins de 40 ans. Comme le veut la tradition, cette distinction est honorée lors de la Journée de l'ETH. "Cette distinction est une surprise bienvenue et un soutien pour mes recherches fondamentales et théoriques", déclare Sereina Riniker.

Comment la chimie informatique fait avancer la médecine

Le groupe de travail de Sereina Riniker est connu pour ses approches innovantes visant à étudier les propriétés des peptides cycliques, un groupe particulier de molécules protéiques à structure cyclique. Cette classe de composés est d'un grand intérêt en médecine, car les peptides cycliques ont par exemple le potentiel d'inhiber les interactions entre les protéines.

Une condition préalable à leur utilisation en tant que substance active est qu'ils puissent traverser la membrane cellulaire pour atteindre l'intérieur de la cellule et y déployer leurs effets. Or, le franchissement de la membrane cellulaire n'est pas toujours facile en raison de la taille des peptides.

Sur ordinateur, Riniker étudie pourquoi certains types de peptides cycliques traversent plus facilement et plus rapidement une membrane cellulaire que d'autres. Les résultats de cette recherche peuvent servir de base à l'optimisation de nouvelles substances actives.

De la physique classique au supercalculateur

Dans la laudatio du Prix Latsis de l'ETH de cette année, on peut lire : "En tant que chimiste informaticienne, Sereina Riniker développe des algorithmes qui permettent de suivre le mouvement des atomes dans des groupes moléculaires complexes et d'en tirer des données quantitatives". Elle a en outre identifié les principaux problèmes des simulations classiques, qui ont longtemps entravé une étude chimique et physiquement fondée de la dynamique des petites biomolécules.

En fait, Riniker fonde la modélisation informatique des mouvements atomiques sur les lois physiques du mouvement qu'Isaac Newton (1642-1726) a introduites dans la mécanique. Les calculs nécessaires sont très complexes et nécessitent l'utilisation de clusters d'ordinateurs.

Le nombre d'interactions et les unités de temps extrêmement courtes font partie des grands défis : Pour calculer les mouvements des atomes, le mouvement est divisé en étapes individuelles, chacune d'entre elles étant courte d'une minuscule femtoseconde, soit 0.000 000 000 001 ou 10^-15 secondes. Les pas de temps doivent être aussi courts pour que l'erreur de calcul reste faible. Un nombre correspondant de pas de temps doit être calculé afin d'atteindre des périodes pertinentes pour l'expérimentation.

Un mois pour une simulation

Outre la dimension temporelle, le nombre d'atomes dans le système détermine la complexité du calcul. Les petites molécules, comme par exemple les peptides cycliques, sont constituées de quelques centaines d'atomes. Les grandes molécules comme les protéines comprennent, avec l'eau qui les entoure, entre 10'000 et 100'000 atomes. Il en résulte, pour une seule simulation, plus de 100 millions d'interactions qui doivent être calculées à chaque étape.

Même les clusters informatiques les plus modernes, comme le calculateur haute performance de l'ETH ou le centre de calcul national CSCS de Lugano, ont besoin d'environ un mois pour simuler le mouvement d'un peptide cyclique sur une période d'une microseconde. Une période de plusieurs microsecondes est nécessaire pour décrire suffisamment les mouvements d'un peptide. Une multitude de changements possibles sont calculés sur l'ordinateur, de sorte qu'il est possible de déterminer, parmi l'ensemble des possibilités, comment les changements influencent les propriétés des peptides. Les résultats de la simulation sont ensuite vérifiés expérimentalement en laboratoire.

Points de vue complémentaires sur les expériences en laboratoire

La simulation sur ordinateur ne remplace donc pas la recherche expérimentale en laboratoire, mais la complète : une simulation de molécules de plus grande taille, par exemple, se base sur des données expérimentales. "Gr?ce aux méthodes informatiques, nous disposons d'une sorte de microscope qui nous permet d'observer la dynamique moléculaire à l'échelle atomique et pour des molécules individuelles. Cela n'est pas possible avec d'autres méthodes", explique Riniker. "Gr?ce aux simulations, nous pouvons compléter les résultats expérimentaux pour obtenir une image globale".

Pour pouvoir étudier des thèmes complexes comme les propriétés des peptides cycliques par le biais de simulations, des programmes informatiques spécialisés sont nécessaires. Le groupe de travail de Sereina Riniker les développe lui-même. Il faut en outre des connaissances détaillées dans différents domaines des sciences naturelles, comme le montre la composition multidisciplinaire du groupe de travail de Riniker, au sein duquel des étudiants, des doctorants et des post-doctorants en chimie, physique, biologie ainsi qu'en informatique collaborent étroitement et échangent régulièrement. "La recherche est un travail d'équipe", conclut Sereina Riniker.