Simulations multiéchelles pour modéliser le rôle des ions divalents dans l'activité catalytique des ribozymes – MUSIRICAT

Le but de ce projet est de développer une stratégie de simulation multi-échelle qui permette d'étudier comment la réactivité des biomolécules chargées est affectée par les fluctuations lentes de l'environnement. En particulier ici, cette méthodologie est développée pour comprendre comment l’activité catalytique des ribozymes dépend de la nature des ions présents et pourquoi cette spécificité est sensible à des modifications de la séquence du ribozyme.
Les ribozymes sont des séquences d’ARN qui présentent une activité catalytique similaire à celle des enzymes. Impliqueìs dans un grand nombre de processus biologiques, ce sont de potentiels outils thérapeutiques. Comprendre l’origine à l’échelle moléculaire de leur activité catalytique est donc un défi majeur à relever afin de pouvoir contrôler ou modifier leur activité. Pourtant, de nombreuses inconnues demeurent sur leur fonctionnement, en particulier sur le rôle joué par des ions divalents comme le Mg2+, lié in vivo à leur activité. L’activité de nombreux ribozymes dépend de la présence d’ions et de leur nature, plus ou moins fortement en fonction de la présence d’interactions tertiaires loin du site actif. Comprendre l’origine de ces effets est un défi à la fois expérimental et théorique, car les ribozymes sont fortement chargés, leur interaction avec des cations divalents est difficile à sonder expérimentalement et à modéliser, et les ribozymes sont beaucoup plus flexibles que des enzymes typiques. Pour la modélisation, le défi est d’arriver à prendre en compte simultanément la flexibilité du ribozyme, sa réactivité, et ses interactions avec des cations, mal décrites par les méthodes standards.
Nous proposons donc de combiner des champs de force ioniques avancés, explicitement et implicitement polarisables, avec un échantillonnage conformationnel étendu du site actif et des modes de liaison des ions, ce qui permettra d'identifier les conformations typiques du site actif. Nous utiliserons ensuite des techniques d'échantillonnage de chemin QM(DFTB3)/MM-MD pour explorer dynamiquement les voies de réaction dans différents environnements et déterminer le mécanisme réactionnel, en fonction de la nature des ions présents. En outre, l’apprentissage de corrections à DFTB3 utilisées dans un nouveau schéma d'intégration ML/MM permettra d'obtenir une grande précision dans la description du site actif pour un coût modéré. Enfin, une fois le(s) mécanisme(s) identifiés, une description semi-classique (EVB) de la réaction sera paramétrée. Ce modèle très peu coûteux en temps de calcul permettra enfin l'exploration des échelles de temps ns-?s, typiques des mouvements ioniques et des fluctuations conformationnelles, qui sont essentielles ici pour saisir correctement l'impact des cations divalents sur la conformation du ribozyme.
Ce projet utilisera comme système modèle le ribozyme en tête-de-marteau RzB, dont l'activité dépend fortement non seulement de la nature des cations dans le site actif mais aussi de la séquence du ribozyme. Avec un grand nombre de données expérimentales déjà disponibles pour comparaison, c'est le système idéal pour tester et développer notre stratégie de simulation. Notre approche permettra d'identifier comment le mécanisme de réaction et les fluctuations conformationnelles du site actif sont affectés par un changement de cation dans le site actif, et de les relier quantitativement aux changements de l'activité du ribozyme.
Au-delà de ce système spécifique, les méthodologies et les outils développés dans ce projet seront utiles à une large communauté de biosimulation pour étudier les systèmes biochimiques impliquant l'interaction de cations divalents avec des biomolécules, ou où la réactivité est modulée par des fluctuations environnementales, par exemple dans le domaine de la conception d'enzymes.