Simulation d'expérences pour l'étude de la structure et de la dynamique de protéines – SPUTNIK

L'objectif de ce projet est d'améliorer le lien entre simulation et expériences dans l'étude des macromolécules biologiques, et notamment des protéines. Il rassemble des experts des principales techniques utilisées dans l'exploration de la structure et dynamique des biomolécules: simulation moléculaire, diffusion de neutrons, résonance magnétique nucléaire et calcul scientifique.

Les techniques de simulation sont déjà un outil important dans l'interprétation d'expériences en biophysique. Pourtant, l'état de l'art en simulation moléculaire est la simulation d'une protéine unique entourée d'une faible quantité de solvant. Un tel système minimaliste ne représente pas la réalité d'un échantillon expérimental, qui prend la forme ou d'un cristal de protéines ou d'une solution diluée, avec dans les deux cas des impuretés et d'autres imperfections. Un système de simulation typique ne représente pas non plus les caractéristiques importantes d'une installation expérimentale. Des effets indésirables mais inévitables, comme la diffusion multiple et l'absorption (pour la diffusion de neutrons) ou la destruction d'un cristal par le rayonnement (en cristallographie), ne sont pas pris en compte. Ceci est à l'origine de différences entre simulation et expérience qui diminuent l'utilité des simulations dans l'interprétation des données expérimentales. Un aspect important du projet proposé est le développement d’expériences « virtuelles », dans le sensé d’inclure les effets indésirables mentionnés ci-dessus. De cette manière des montages expérimentaux peuvent être conçus en évitant, dans la mesure du possible, l’approche « trial and error » et des études préliminaires peuvent être effectuées in silico. Cette approche est aussi indispensable afin d’établir une relation avec des modèles théoriques. Afin d’atteindre ces objectifs les partenaires peuvent s’appuyer sur leurs compétences variées en modélisation et simulation de systèmes biomoléculaires. Trois des quatre partenaires ont déjà collaboré avec succès dans le cadre du projet ANR THALER (ANR-06-CIS6-012-01).

Les deux autres points importants du projet sont liés à la simulation de systèmes biomoléculaires de grande taille. Ils concernent le calcul lourd des interactions électrostatiques dans ces systèmes sur des ordinateurs massivement parallèles, ainsi que le traitement efficace des opérations entrée/sortie (E/S). Depuis l’apparition des machines vectorielles dans le domaine du calcul scientifique dans les années 1980, les opérations E/S sont une préoccupation permanente, car elles représentent un obstacle majeur pour le développement de programmes pour la simulation de systèmes de N particules. Et pour le calcul des interactions électrostatiques et pour la solution du problème des E/S parallèles le FZJ a développé des solutions qui sont une bonne base pour des extensions du moteur de simulation qui a été développé dans le cadre du projet THALER. Les équipes du CBM et du FZJ ont des contacts de longue date et ont collaboré dans le passé essentiellement sur l’étude de la dynamique des liquides. Le projet présenté sera une opportunité de profiter de l’environnement excellent de l’équipe du FZJ, en ce qui concerne les installations de d’ordinateurs parallèles de l’expertise technique.