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Publication du programme PAUSE – ANR Ukraine pour l’accueil de scientifiques ukrainiens et ukrainiennes dans des laboratoires français
CE29 - Chimie : analyse, théorie, modélisation

Fonctionnelle Bridge en DFT Moléculaire – BRIDGE

Fonctionnelle BRIDGE en DFT Moléculaire

Les propriétés de solvatation de molécules/macromolécules sont calculées à l'aide de la DFT classique en représentation moléculaire. L'approximation HNC utilisée jusqu'à présent ignore les fonctions soluté-solvant «bridge« qui s'avèrent non négligeables particulièrement en solvant aqueux. Le projet propose différentes pistes pour produire des fonctionnelles/fonctions bridge performantes.

Produire des fonctionnelles «bridge« efficaces pour des solutés/solvants quelconques

L'objectif est de calculer théoriquement, vite et bien, les propriétés de solvatation de molécules/macromolécules immergées dans des solvants variés. Cela peut être l' énergie libre de solvatation de molécules de médicament, de protéines, de complexes protéine+médicament; ou la distribution spatial et angulaire des molécules de solvant autour des macromolécules colloïdales ou biologiques; ou les profils ioniques au voisinage d'électrodes. Bien veut dire être capable de bien représenter le monde réel et reproduire les données expérimentales. Vite signifie faire le travail en beaucoup moins de temps que ce que demande habituellement la simulation numérique (Dynamique Moléculaire ou Monte Carlo). Le niveau de description requis, intermédiaire entre les modèles à solvant continu et les modèles quantiques ab initio, considère les particules de soluté et solvant comme des molécules qui interagissent via des champs de force atome-atome, de type Lennard-Jones+coulombien.

Plusieurs pistes sont suivies afin de proposer des approximations robustes pour les fonctionnelles bridge manquantes:
-fonctionnelles bridge à symétrie sphérique de type WDA
-fonctionnelle bridge à 3 corps dans l'approximation BHP
-Résoudre MDFT dans l'approximation HNC pour des dimères soluté-solvant
-Inverser les données de simulation pour quelques solutés de référence

-Fonctionnelle Bridge à symétrie sphérique
-Fonction intermédiaire t de l'approche BHP
-Fonction bridge exacte pour des solutés ioniques de valence variable, exprimée en termes de projections angulaires

-Calculer le diagramme bridge à l'aide de la fonction t pour différents solutés
-Généraliser l'inversion de données de simulation pour des solutés quelconques et rationaliser les résultats pour offrir une prédiction

Articles publiés:
1. Luukkonen, Levesque, Belloni, Borgis, J. Chem. Phys. 152, 06410 (2020)
2. Borgis, Luukkonen, Belloni, Jeanmairet, J. Phys. Chem. B 124, 6885 (2020)
3. Borgis, Luukkonen, Belloni, Jeanmairet, J. Chem. Phys. 155, 024117 (2021)
4. Jeanmairet, Levesque, Borgis, J. Chem. Theor. Comput. (2020)

La compréhension théorique des propriétés de solvatation de molécules / macromolécules / interfaces dans les domaines de la biologie, de la santé, de la physique colloïdale, de l'électrochimie, etc, requiert un niveau de description à solvant moléculaire explicite et champs de force atome-atome classiques. A côté de la simulation numérique trop gourmande en temps de calcul, a émergé récemment une théorie des liquides très performante basée sur la DFT Moléculaire 3D qui permet de calculer très rapidement le profil de densité spatiale et angulaire du solvant autour du soluté ainsi que l'énergie libre de solvatation de ce dernier. Pour l'instant, cette MDFT est réalisée dans le cadre de l'approximation HNC qui néglige les fonctions de corrélation dites "bridge". Il s'avère que pour les solvants fortement polaires à liaison hydrogène, l'eau en 1er lieu, HNC conduit à des désaccords quantitatifs. Le projet BRIDGE consiste alors à aller au-delà de cette approximation standard en construisant des fonctionnelles ou fonctions bridge efficaces. L'expérience très large du consortium en physique statistique des liquides va permettre d'étendre les approches des liquides simples constitués de particules sphériques aux cas de solvants moléculaires et solutés à interactions et corrélations hautement anisotropes. 4 voies vont être explorées en parallèle:
1) Ignorer dans une 1ère étape la variation angulaire, emprunter les fonctionnelles de type sphère dure bien connues ou construire des fonctionnelles simples polynomiales d'une densité spatiale pondérée.
2) Résoudre la MDFT/HNC autour d'un dimère soluté+1 molécule de solvant, à position/orientation relative fixée, ce qui revient à utiliser l'approximation HNC "plus haut dans la hiérarchie des équations intégrales" (pour dimère-solvant), donc avec moins d'impact sur la corrélation de paires. Le potentiel de force moyenne soluté-solvant résultant permettra d'extraire une fonction bridge.
3) La fonctionnelle exacte peut s'écrire formellement comme un développement faisant intervenir N=2 puis 3, puis 4… molécules de solvant, couplées par les fonctions de corrélation directes à N corps, l'approximation HNC s'arrêtant à N=2. De manière fondamentale et ambitieuse, il s'agira ici de calculer le terme suivant, la fonctionnelle bridge à N=3 corps, en étendant ce qui a été fait dans la littérature pour des sphères. La fonction c(3)(1,2,3) du solvant sera approximée par t(12)t(13)t(23) avec la fonction de paires t déduite d'une cohérence thermodynamique.
4) Le raisonnement ici est à l'opposé de ce qui se fait habituellement: on part du résultat final exact, fourni par des données très précises de simulation en termes de profil spatial/angulaire, et on inverse le problème de physique statistique, équation Ornstein-Zernike+équation intégrale, afin d'extraire la fonction bridge soluté-solvant exacte. Il s'agira ensuite de définir des comportements systématiques et de remonter à la fonctionnelle bridge.
Ce projet va nécessiter la mise au point de théories, d'algorithmes et de codes numériques très efficaces et la résolution systématique de MDFT et de simulation pour un grand nombre de solutés au moyen de ressources informatiques importantes. Une fois que des fonctionnelles bridges optimisées seront validées, l'approche MDFT s’affirmera par elle-même comme un outil de prédiction efficace et compétitif, indépendamment des simulations. Elle pourra être utilisée par la communauté de manière routinière afin de comprendre au mieux les systèmes réels. De telles applications seront effectuées à la fin du projet.
Le budget demandé correspond essentiellement à 3 années de post-doc et l'achat d'ordinateurs.

Coordinateur du projet

Monsieur Luc Belloni (Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie)

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

MdlS Daniel BORGIS
NIMBE Nanosciences et innovation pour les matériaux, la biomédecine et l'énergie
PASTEUR Processus d'Activation Sélectif par Transfert d'Energie Uni-électronique ou Radiatif
PHENIX PHysicochimie des Electrolytes et Nanosystèmes InterfaciauX

Aide de l'ANR 294 009 euros
Début et durée du projet scientifique : octobre 2019 - 42 Mois

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