CE29 - Chimie : analyse, théorie, modélisation

Reactivité Ultrarapide des Biomolecules sous Irradiation – RUBI

Nous utilisons les approches de chimie théoriques de type DFT (Density Functional Theory) et hybrides DFT/MM (Molecular Mechanics).

-Mise en évidence des effets non-additifs dus à l’environnement lors de l’irradiation de molécules par des ions de hautes énergies. Cet effet pourrait être inclus dans les modèles prédictifs d’irradiation après paramétrisation.
- Implémentation d’une méthode hybride DFTB/MM dans le programme deMon-nano. Le module sera disponible pour la communauté d’ici la fin de l’année.

Les perpsectives sont la poursuites des taches telles que décrites dans le projet soumis en 2018. A savoir, l'appication des approches DFTB/MM et DFT/MM au cas de l’irradiation des biomolecules (peptides, oligonucleotides et acides aminés dans des modèles de glaces i interstellaires)

1. First-Principles Simulations of Biological Molecules Subjected to Ionizing Radiation by Karwan Ali Omar, Karim Hasnaoui and Aurélien de la Lande. Annual Reviews of Physical Chemistry. 2021 72, 20.1–20.21. DOI: doi.org/10.1146/annurev-physchem-101419-013639
1. Femtosecond Responses of Hydrated DNA Irradiated by Ionizing Rays, Focus on the Sugar-Phosphate Part by Aurélien de la Lande. Theoretical Chemistry Accounts. 2021 140, 77. DOI: doi.org/10.1007/s00214-021-02778-1
2.

Résumé de soumission

Comprendre les conséquences de l'interaction de la matière biologique ou des molécules prébiotiques avec les rayonnements ionisants est d'une importance fondamentale pour accomplir des progrès en médecine, en radiothérapie ou en radioprotection ainsi que pour verifier l’hypothése de la panspermie. Les processus à l'œuvre dans les premières picosecondes suivant l'irradiation sont largement inconnus. La multitude d'espèces hautement réactives, électroniquement et vibrationnellement excitées, produites par irradiation devrait générer une chimie très spécifique, conduisant à des dommages chimiques non encore identifiés sur l'ADN et les protéines. Dans le cas des molécules prébiotiques piégées dans des glaces interstellaires, l'irradiation pourrait avoir causé leurs destruction ou, à l'inverse avoir catalysé leur complexification avant dépôt éventuel sur terre par les comètes. RUBI a ainsi pour ambition d'explorer la physico-chimie ultrarapide produite par irradiation de molécules complexes. Nous chercherons une synergie entre différents types de simulations moléculaires ab initio, domaines dans l’expertise desquels nos laboratoires sont reconnus.
L'irradiation de la matière par des particules chargées de haute énergie génère une pléthore d'espèces hautement réactives. Ces dernières sont probablement à l’origine d’une chimie riche et non conventionnelle se déroulant sur les échelles de temps ultrarapides. Ces dommages radiatifs directs sont encore largement inconnus, en raison des formidables défis techniques liés à leur exploration. Les techniques de simulation sophistiquées utilisées dans RUBI permettront d'explorer ce territoire pour la première fois dans des systèmes biologiques complexes (ADN, protéines, complexes ADN/protéines) et des modèles de molécules prébiotiques piégées dans des modèles de glace du milieu interstellaire. Des simulations reposant sur la Théorie de la Fonctionnelle de la Densité dépendant du temps permettront d'atteindre le régime attoseconde caractérisant la collision de la matière par les particules de haute énergie ainsi que le dynamique électronique qui en découle. Le couplage avec les méthodes de dynamique moléculaire permettra de simuler les réactions chimiques se déroulant sur les échelles de temps femto- et picoseconde. Ainsi ces simulations permettront de comprendre les mécanismes complexes de redistribution d'énergie, de migration de charge ultrarapide, de transferts de protons et de réactivité dans des molécules d'intérêt biologique. Les simulations seront réalisées selon des schémas hybrides de type QM/MM polarisables (Quantum Mechanics/ Molecular Mechanics) afin de rendre compte explicitement de l'hétérogénéité structurale des bio-macromolécules et du solvant ou des glaces. Pour aller plus loin encore dans la capacité de nos approches numériques à décrire de manière réaliste ces processus, nous mettrons en place des approches innovantes utilisant une approximation de la DFT (DFT Tight Binding, DFTB). Le coût de calcul très avantageux de la DFTB permettra de traiter des systèmes plus grands et d'aborder des questions brûlantes du domaine telles que la formation de dommages multiples sur l'ADN irradié et les transferts de charges le long des brins d'ADN.
RUBI devrait avoir un impact considérable sur notre compréhension des mécanismes primaires impliqués dans l'irradiation de la matière biologique. C'est un sujet brûlant dans de nombreux domaines de recherche (radiothérapies, radioprotection, énergie nucléaire, astrochimie …). De même nous espérons fournir des éléments totalement nouveaux concernant la chimie induite par les rayonnements sur les glaces du milieu interstellaire. Ainsi serons en mesure de mieux comprendre l'une des possibles étapes ayant conduit à l'apport de molécules prébiotiques sur terre
Les outils théoriques développés dans ce projet seront mis à la disposition de la communauté à travers la diffusion dans les codes deMon et deMonNano.

Coordinateur du projet

Monsieur Aurélien DE LA LANDE (CNRS (LCP))

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

LCP CNRS (LCP)
LCPQ LABORATOIRE DE CHIMIE ET PHYSIQUE QUANTIQUE
ICGM Institut de chimie moléculaire et des matériaux - Institut Charles Gerhardt Montpellier
LUPM CNRS
CINVESTAV Centro de Investigación y de Estudios Avanzados del Instituto Politécnico Nacional / Département de chimie

Aide de l'ANR 421 677 euros
Début et durée du projet scientifique : décembre 2019 - 48 Mois

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