De nouvelles stratégies efficaces basées sur la mécanique quantique pour l’affinement de structures cristallographiques de macromolécules à haute résolution – QuMacroRef

Pour atteindre les principaux objectifs du projet, deux méthodes sont principalement utilisées: la technique « Hirshfeld Atom Refinement » (HAR) et l’approche des orbitales moléculaires extrêmement localisées (ELMO).
La méthode HAR est une nouvelle technique de la cristallographie quantique qui repose sur des calculs de chimie quantique. Des études récentes ont montré que l’approche HAR est capable de localiser les atomes d'hydrogène très précisément, en fournissant des distances de liaison en accord avec les résultats obtenus grâce à la diffraction de neutrons. Néanmoins, l’application de la méthode HAR aux macromolécules est gênée par le fait que le coût de calcul de la technique augmente considérablement avec la taille des systèmes examinés, car un calcul quantique est nécessaire à chaque étape du processus. Le programme de recherche proposé dans ce projet vise à surmonter complètement cet inconvénient en élargissant les possibilités d'application de l’approche HAR aux macromolécules.
Pour accomplir cette tâche, nous visons à coupler la méthode HAR avec des stratégies de mécanique quantique basées sur l'utilisation des orbitales moléculaires extrêmement localisées. Les ELMOs sont des orbitales moléculaires strictement localisées sur de petites unités moléculaires (par exemple, des atomes, des liaisons ou des groupes fonctionnels) et, en raison de leur localisation extrême, ils peuvent être attribués facilement et de manière univoque à de petits fragments moléculaires. Pour cette raison, les ELMO peuvent également être facilement transférées d'une molécule à une autre pour reconstruire instantanément les fonctions d'onde et les densités électroniques de systèmes très grands.
Dans ce projet, la transférabilité des ELMOs est exploitée pour développer des nouvelles techniques à bas coût de calcul et/ou multi-échelles de la chimie quantique qui peuvent être facilement couplées à la méthode HAR pour raffiner les structures cristallographiques de protéines.
En particulier, la transférabilité d'ELMO a été exploitée i) pour construire des bibliothèques d'orbitales moléculaires extrêmement localisées, qui permettent des reconstructions instantanées de fonctions d'onde et de densités électroniques approximées de macromolécules et ii) pour développer la nouvelle approche multi-échelle QM/ELMO, où la partie la plus importante du système examiné est traitée au niveau entièrement mécanique quantique tandis que le reste est décrit par des orbitales moléculaires extrêmement localisées transférées et gelées.

Faits marquants obtenus au cours du projet:

1) Librairies d’orbites moléculaires extrêmement localisées. Les librairies d’orbites moléculaires extrêmement localisées sont de nouveaux outils qui peuvent être utilisés pour obtenir rapidement des fonctions d’ondes et des densités électroniques approximées pour des molécules biologiques (par ex., polypeptides et protéines). Les nouvelles librairies peuvent également trouver des applications dans d'autres domaines de la chimie physique, comme la détection des interactions non covalentes dans les biosystèmes grâce aux techniques NCI-ELMO et IGM-ELMO récemment développées, qui pourraient être utiles pour la conception rationnelle de nouveaux médicaments, pour la chimie supramoléculaire et pour l'ingénierie des cristaux.

2) Méthode QM/ELMO. Il s'agit d'une nouvelle technique multi-échelles qui permet des études pleinement quantiques de macromolécules, mais à un coût de calcul réduit. La nouvelle approche permet de traiter des régions importantes de systèmes très grands (par ex., sites actifs de protéines) avec des méthodes traditionnelles de la chimie quantique pour les états fondamentaux et excités, tandis que les autres parties des molécules sont décrites par des ELMOs congelées et précédemment transférées des librairies récemment construites. La nouvelle approche multi-échelle QM/ELMO peut également être considérée comme un avancement par rapport aux techniques QM/MM.

3) Technique HAR-ELMO: raffinements cristallographiques quantiques de protéines. Cette nouvelle technique de raffinement associe la précision et l'exactitude de la méthode Hirshfeld Atom Refinement à la rapidité des librairies ELMO, avec l'objectif final d'étendre l'applicabilité de la méthode HAR aux macromolécules. La stratégie mise au point a permis d’effectuer les premièrs raffinements cristallographiques quantiques (rapides) de polypeptides et de protéines. Les résultats obtenus ont montré que l'approche HAR-ELMO fournit des paramètres structurels précis pour tous les atomes, y compris les atomes d'hydrogène. La nouvelle technique HAR-ELMO a ouvert une nouvelle voie de recherche dans la cristallographie des protéines.

4) Approches HAR-QM/ELMO. La méthode Hirshfeld atom refinement a été également interfacé avec l'approche multi-échelle QM/ELMO avec deux objectifs différents: dans un cas, pour effectuer des raffinements plus précis de régions cruciales dans les macromolécules (par ex., pour les sites actifs des protéines); dans l'autre cas, pour améliorer les performances de la téchnique HAR en décrivant l'environnement chimique au niveau quantique dans les calculs de chimie quantique à la base de chaque raffinement.

5) La stratégie XC-QM/ELMO, qui permet de raffiner la fonction d'onde pour un sous-ensemble d'électrons dans un système moléculaire. Elle a pris la forme de la technique X-ray constrained spin-coupled, où seulement quelques orbitales sont raffinées par rapport aux données de diffraction de rayons X expérimentales.

Les idées développées dans le cadre de ce projet auront principalement un impact direct sur la science fondamentale. À partir des données de diffraction des rayons X à très haute résolution pour les macromolécules, les nouveaux outils de calcul proposés dans ce projet permettront d’extraire des détails structurels à un niveau sans précédent. En particulier, le problème de déterminer avec précision les positions des atomes d'hydrogène dans le domaine de la cristallographie macromoléculaire sera résolu, permettant ainsi de déterminer les états de protonation de résidus de protéines avec un niveau d'incertitude considérablement réduit. Donc, l’application des nouvelles stratégies mises au point permettra d’obtenir des informations détaillées qui seront essentielles soit pour élucider les fonctions des protéines soit pour obtenir des informations plus détaillées sur les mécanismes biologiques et biochimiques de base.
En outre, étant donné que les nouvelles méthodes fourniront des informations sans précédent sur les modes d'action des molécules biologiques, les recherches menées dans ce projet auront également des implications directes pour la société. En fait, la meilleure compréhension des fonctions des biomolécules aura des répercussions sur la mise au point de traitements efficaces pour soigner certaines maladies humaines. En particulier, étant donné que les nouveaux outils de raffinement fourniront des informations structurelles et électroniques sur les protéines à un niveau qui n’était pas imaginable il y a seulement 4 ou 5 ans, il sera possible d’avoir accès à des structures de protéines et à des distributions électroniques qui constitueront des cibles plus réalistes pour la conception de médicaments plus efficaces. Les nouvelles méthodes de calcul pourraient donc devenir des outils pour des conceptions plus rationnelles des médicaments et seront utilisées par des chercheurs travaillant soit dans un contexte universitaire soit dans des sociétés pharmaceutiques.

Les résultats du projet ont été régulièrement publiés dans des revues internationales à comité de lecture (24 articles (plus 3 en préparation) et 2 chapitres de livre) et communiqués à la communauté scientifique lors de conférences internationales/nationales (22 exposés et 6 posters) et séminaires (6). Différents logiciels ont été développés avec l'intention de les diffuser gratuitement à la fin du projet. Enfin, une thèse de doctorat a été strictement liée aux recherches menées pendant le projet.

Les publications les plus représentatives:

* B. Meyer, A. Genoni, Libraries of Extremely Localized molecular Orbitals. 3. Construction and Preliminary Assessment of the New Databanks, J. Phys. Chem. A 122, 8965-8981, 2018.

* D. Arias-Olivares, E. K. Wieduwilt, J. Contreras-García, A. Genoni, NCI-ELMO: a New Method to Quickly and accurately Detect Non-Covalent Interactions in Biosystems, J. Chem. Theory Comput. 15, 6456-6470, 2019.

* E. K. Wieduwilt, J.-C. Boisson, G. Terraneo, E. Hénon, A. Genoni, A Step toward the Quantification of Non-Covalent interactions in Large Biological Systems: The Independent Gradient Model-Extremely Localized Molecular Orbital Approach. J. Chem. Inf. Model. 61, 795-809, 2021.

* G. Macetti, A. Genoni, Quantum Mechanics/Extremely Localized Molecular Orbital Method: a Fully Quantum Mechanical Embedding Approach for Macromolecules, J. Phys. Chem. A 123, 9420-9428, 2019.

* G. Macetti, E. K. Wieduwilt, X. Assfeld, A. Genoni, Localized Molecular Orbital-Based Embedding Scheme for Correlated Methods, J. Chem. Theory Comput. 16, 3578-3596, 2020.

* G. Macetti, A. Genoni, Quantum Mechanics / Extremely Localized Molecular Orbital Embedding Strategy for Excited States: Coupling to Time-Dependent Density Functional Theory and Equation-of-Motion Coupled Cluster. J. Chem. Theory Comput. 16, 7490-7506, 2020.

* G. Macetti, E. K. Wieduwilt, A. Genoni, QM/ELMO: A Multi-Purpose Fully Quantum Mechanical Embedding Scheme Based on Extremely Localized Molecular Orbitals, J. Phys. Chem. A 125, 2709-2726, 2021.

* L. A. Malaspina, E. K. Wieduwilt, J. Bergmann, F. Kleemiss, B. Meyer, M. F. Ruiz-López, R. Pal, E. Hupf, J. Beckmann, R. O. Piltz, A. J. Edwards, S. Grabowsky, A. Genoni, Fast and Accurate Quantum Crystallography: from Small to Large, from Light to Heavy, J. Phys. Chem. Lett. 10, 6973-6982, 2019.

* E. K. Wieduwilt, G. Macetti, A. Genoni, Climbing Jacob’s Ladder of Structural Refinement: Introduction of a Localized Molecular Orbital-Based Embedding for Accurate X-ray Determinations of Hydrogen Atom Positions. J. Phys. Chem. Lett. 12, 463-471, 2021.

* A. Genoni, D. Franchini, S. Pieraccini, M. Sironi, X-ray Constrained Spin-Coupled Wavefunction: a New Tool to Extract Chemical Information from X-ray Diffraction Data, Chem. Eur. J. 24 15507-15511, 2018.

Pour plus d'informations, veuillez consulter le site web alessandrogenoni.weebly.com.

Grâce aux grands équipements pour la production de rayonnement synchrotron à hautes énergies et de lasers à électrons libres, le nombre de données de diffraction de rayons X à résolution subatomique ou à très-haute résolution devrait exploser dans les prochaines années. L’information associée sera extrêmement importante pour obtenir les détails structurels et électroniques fondamentaux qui permettront de mieux comprendre les fonctions biologiques des macromolécules étudiées. Néanmoins, les progrès faits sur le plan expérimental et technologique n'ont pas été suivis par un développement comparable des méthodes et logiciels permettant d'exploiter pleinement la richesse des informations englobées dans les données de diffraction de rayons X à haute résolution. Le programme de recherche présenté dans ce projet vise donc à combler cette lacune. Notre objectif consistera à développer un ensemble d'outils efficaces basés sur les principes de la mécanique quantique. Ces outils seront utilisés ensuite systématiquement pour affiner les structures et les densités électroniques des protéines.

Dans ce but, nous étendrons le domaine d’application de la méthode « Hirshfeld Atom Refinement » (HAR) à celui des macromolécules. La méthode HAR est une technique émergeante capable de localiser les positions des atomes d'hydrogène avec la même précision que celle des mesures de diffraction des neutrons, et cela même si nous exploitons des données de diffraction des rayons X à une résolution de 0.8 Å. Il est évident que le raffinement de la structure des protéines rentre complètement dans le cadre des applications de la technique HAR. Néanmoins, puisque un calcul quantique est nécessaire à chaque étape du raffinement, la version actuelle de la méthode HAR est trop coûteuse en temps de calcul pour être directement appliquée aux protéines. Le projet sera donc consacré principalement à surmonter cet inconvénient en couplant la technique HAR avec des nouvelles approches à croissance linéaire et multi-échelles basées sur la transférabilité des Orbitales Moléculaires Extrêmement Localisées (ELMOs), qui sont des orbitales moléculaires strictement localisées sur des petits fragments moléculaires (atomes, liaisons ou groupes fonctionnels). En fait, après avoir été préalablement calculées sur des molécules modèles et stockées dans des bibliothèques, les ELMOs seront utilisées comme des briques de LEGO électroniques pour la construction instantanée des fonctions d'onde et densités électroniques de grands systèmes.

Pour élargir le domaine d'application de la méthode HAR, deux étapes préliminaires sont nécessaires: i) la construction de librairies-ELMO pour décrire tous les fragments des vingt acides aminés naturels, et ii) le développement d’une stratégie multi-échelle QM/ELMO, où les régions cruciales d'une macromolécule seront traitées à haut niveau de théorie, tandis que le reste du système sera décrit avec des ELMOs transférées et congelées. Ensuite, au cœur du projet, les librairies-ELMO et la technique QM/ELMO seront couplées à la technique HAR. Enfin, la méthode QM/ELMO sera étendue à l'approche de la « fonction d'onde expérimentale » de Jayatilaka pour affiner les fonctions d'onde et les densités électroniques des régions importantes des protéines, et ce en exploitant les données de diffraction des rayons X à ultra-haute résolution.

Les méthodologies proposées permettront d'obtenir des détails sur les structures et les densités électroniques des protéines à un niveau de précision qui n’a jamais été encore atteint. Cela offrira la possibilité d’élucider les modes d'action de biomolécules et aura une répercussion directe sur le développement de thérapies efficaces pour combattre certaines maladies. Les outils de calcul mis au point pourront en effet être incorporés dans les techniques de routine afin de fournir des structures et des densités électroniques de protéines qui constitueront des cibles plus réalistes pour un « drug-design » plus rationnel.