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

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

Grâce à des efforts techniques et financiers, des données de diffraction des rayons X à très-haute résolution sont finalement disponibles aussi pour les macromolécules. Toutefois, actuellement il n’existe aucune méthode permettant d’exploiter pleinement la richesse des informations contenues dans ces données. Donc, pour surmonter cet inconvénient, il est nécessaire d'introduire de nouvelles techniques basées sur la mécanique quantique afin d'affiner avec succès les structures des protéines.

Développement de nouvelles techniques basées sur la mécanique quantique pour affiner des données de diffraction des rayons X à très haute résolution et qualité pour macromolécules.

L’objectif principal du projet est de proposer des nouveaux outils de calcul pour affiner en routine les structures cristallographiques et les densités électroniques des macromolécules (en particulier des protéines) en utilisant les données de diffraction des rayons X à résolutions subatomiques (0.7 Å < d < 1.0 Å) actuellement disponibles. Cela répond à la disponibilité croissante de radiations de synchrotron très intenses et à la mise en place de nouvelles installations de type «X-ray free-electron laser » qui fourniront des données de diffraction des rayons X pour les macromolécules avec une résolution et une qualité de plus en plus élevées. En fait, pour le moment, le développement de méthodes / logiciels ne suit pas les impressionnants avancements technologiques et expérimentaux dans le domaine de la cristallographie macromoléculaire. Par conséquent, toutes les informations contenues dans les données expérimentales de diffraction des rayons X ne sont jamais pleinement et efficacement exploitées pour fournir des descriptions détaillées et définitives sur les grands systèmes examinés. <br />Donc, dans ce projet nous visons à développer un nouvel ensemble de techniques basées sur la mécanique quantique et à croissance linéaire pour les affinements des structures cristallographiques macromoléculaires. La nouveauté méthodologique de ce projet permettra d’obtenir des détails sur la structure et la densité électronique des protéines avec un niveau de précision sans précédent. Cela permettra de mieux comprendre les modes d'action de molécules biologiques, avec des répercussions directes sur la mise au point de traitements efficaces pour combattre certaines maladies. En fait, les nouvelles stratégies seront potentiellement utilisées comme techniques de routine pour fournir des structures et des densités électroniques de protéines qui constitueront des cibles plus réalistes pour le design rationnel de nouveaux médicaments.

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 d'électrons de systèmes très grands.
Dans ce projet, la transférabilité des ELMOs est exploitée pour développer de nouvelles techniques à croissance linéaire et/ou multi-échelles de la chimie quantique qui peuvent être facilement couplées à la méthode HAR pour affiner les structures cristallographiques de protéines.

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 (polypeptides, protéines, séquences d’ADN et ARN). Outre que dans le contexte des affinements structurels, les nouvelles librairies peuvent facilement trouver des applications dans d’autres domaines, tels que la conception rationnelle de médicaments.

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 exemple, sites actifs de protéines) avec des méthodes traditionnelles de la chimie quantique, tandis que les parties restantes des molécules sont décrites par des ELMOs congelées et précédemment transférées de 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: affinements cristallographiques quantiques de protéines. Cette nouvelle technique de affinement 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 récemment mise au point a permis d’effectuer les touts premièrs affinements cristallographiques quantiques (rapides) de polypeptides et de protéines. Les résultats obtenus ont montré que la nouvelle approche HAR-ELMO fournit également 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.

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 peuvent 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.

Articles déjà publiés:

1. A. Genoni* et al., Quantum Crystallography: Currents Developments and Future Perspectives, Chem. Eur. J. 24, 10881-10905 (2018).

2. 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).

3. 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).


Articles soumis et en cours d'évaluation:

1. A. Genoni*, G. Macetti, D. Franchini, S. Pieraccini, M. Sironi, X-ray constrained Spin-Coupled Technique: Theoretical Details and Further Assessment of the Method, Acta Cryst. A, submitted on May 22, 2019.

2. G. Macetti, A. Genoni*, QM/ELMO Method: a Fully Quantum Mechanical Embedding Approach for Macromolecules. J. Phys. Chem. Lett., submitted on July 2, 2019.

3. D. Arias-Olivares, E. K. Wieduwilt, J. Contreras-García, A. Genoni*, NCI-ELMO: A New Method to Quickly and Accurately Extract Non-Covalent interactions in Biosystems, J. Chem. Theory Comput., submitted on July 2, 2019.

4. 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: form Small to Large, from Light to Heavy, Nat. Commun., submitted on July 12, 2019.

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.

Coordinateur du projet

Monsieur Alessandro Genoni (Structure et Réactivité des Systèmes Moléculaires Complexes)

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

SRSMC Structure et Réactivité des Systèmes Moléculaires Complexes

Aide de l'ANR 163 221 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2018 - 36 Mois

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