Modélisation Moléculaire

Avant Propos

Le Développement important des moyens informatiques (mémoire plus importante, calcul scientifique, infographie, ...) au cours de ces dernières années a permis à la chimie de s'enrichir d'outils informatiques spécialement dédiés à la représentation des molécules. Ainsi un nouvel outil est apparu permettant à tout chimiste de mieux appréhender les problèmes liés au domaine moléculaire: la Modélisation Moléculaire.

La modélisation moléculaire implique l'utilisation de méthodes de calcul théoriques (mécanique moléculaire, dynamique moléculaire, mécanique quantique ab-initio ou semi-empirique, ...) permettant de déterminer la représentation graphique de la géométrie ou de la configuration des atomes d'une molécule et d'évaluer les propriétés physico-chimiques de la molécule étudiée. La modélisation moléculaire associée à une représentation infographique des stéréochimies permet d'interpréter des phénomènes physico-chimiques, de suggérer des nouvelles expériences et d'analyser ainsi des résultats d'une façon plus critique que les expériences classiquement utilisées, mais ces 2 approches purement théoriques ou expérimentales sont complémentaires.

Les objectifs de la modélisation moléculaire sont principalement:

Visualisation infographique et dessin des molécules à partir de données structurales et par l'utilisation d'un système informatique
Utilisation de banques de données pour identifier les systèmes moléculaires
Obtention d'informations sur les mouvements dynamiques des molécules et sur leurs énergies
Calcul du champ de force empirique pour déterminer les propriétés moléculaires et les distances inter atomiques
Reproduction et prédiction qualitative des propriétés des molécules et des macromolécules
Corrélation entre des propriétés moléculaires et une structure moléculaire donnée
Évaluation de la validité d'une structure moléculaire
Application de la représentation infographique à la reconnaissance des molécules issues de chimie organique, bio-organique et médicale ou de la sciences des matériaux.

Pour atteindre ces objectifs, différentes techniques de visualisation, manipulation, modification, construction, analyse ou calcul des structures moléculaires sont accessibles. On peut distinguer les techniques de représentation infographique des systèmes moléculaires qui permettent une visualisation directe de la structure des molécules en 2 ou 3 dimensions, leur manipulation interactive (rotation, translation, modification de leur conformation, ...) et l'analyse des paramètres géométriques (distance, angle, ...). La construction complète d'une structure moléculaire peut se faire à partir des éléments (atomes, groupements fonctionnels, molécules simples ou complexes...) fournis par:

Une banque de données: Cambridge Structural data (CSD), Brookhaven Protein Data (PDB )
Des informations expérimentales: données spectroscopiques IR, Raman, RMN, UV ..., moment dipolaire).

Pour obtenir des résultats cohérents et fiables, il est nécessaire de confronter les données obtenues à d'autres informations se rapportant au système étudié ou à d'autres similaires. Il convient de passer d'un modèle initial connu au système moléculaire final en utilisant des méthodes de calcul (mécanique moléculaire, dynamique moléculaire et/ou thermodynamique statistique par échantillonnage de Monte-Carlo) qui permettrons d'optimiser la structure moléculaire considérée et de s'assurer de la cohérence des résultats fournies par la modélisation. Ces méthodes de calcul sont basées sur l'utilisation de différents logiciels pour évaluer les énergies, pour faire des simulations et pour simuler les mouvements moléculaires

Préambule

La modélisation moléculaire, c'est à dire le fait de faire appel à une description physique et tridimensionnelle des molécules, est devenue maintenant un ingrédient presque obligatoire de tout développement en chimie, en chimie médicinale et en biologie structurale. En chimie, on peut par exemple simuler des chemins réactionnels de réactions enzymatiques en traitant certains atomes (ceux qui participent à des ruptures ou des formations de liaisons) par la mécanique quantique, les autres qui traduisent les contraintes de l'environnement sont modélisés par la mécanique moléculaire classique ; la chimie combinatoire et les études de diversité moléculaire font appel à des descriptions 2D mais aussi 3D des molécules, on peut par exemple introduire la chiralité comme une grandeur quantifiable ; en chimie médicinale une grande variété de méthodes sont utilisées afin de trouver des molécules ressemblant à une molécule active ou bien pour déterminer quelles structures sont capables de se fixer avec beaucoup d'affinité dans une cavité de protéine. La modélisation se complète alors de l'évaluation de grandeurs thermodynamiques. En biologie, de la séquence des gènes à la détermination de la structure des protéines et à l'élucidation de leur fonctionnement, on trouve bien sûr la modélisation moléculaire mêlée, là comme ailleurs, à diverses disciplines ou techniques scientifiques : statistiques et prédiction de structure, détermination de structure par RMN ou cristallographie, thermodynamique et fonctionnement des moteurs moléculaires par exemple, ...

Informations tirées du site de l'Ecole Polytechnique de Bordeau.
Admin. Fr. Denonne; Contents: M.Laguerre.

1 - Assemblages lipidiques complexes

1.1 - Films de Langmuir, films de savon, films de Newton

L'étude de films moléculaires organisés d'amphiphiles de bas poids moléculaire ou de polymères (synthétiques ou biologiques) a suscité de très nombreux travaux aussi bien théoriques qu'expérimentaux. La mécanique et la dynamique moléculaires sont des outils de choix pour effectuer des simulations de tels systèmes à une échelle réellement atomique.

Nous les avons utilisées pour étudier des films de Langmuir d'acides gras, des films de savons et des fims noirs ou "de Newton" (SDS). L'analyse des résultats permet une compréhension fine des phénomènes mis en jeu et peut suggérer de nouveaux modèles expérimentaux pour valider les observations effectuées sur les simulations.

Modèle de film "noir" de Newton de SDS (les sulfates sont en jaune et rouge) avec une couche d'eau de 10 Å (les croix roses représentent les ions sodium).

1.2 - Bicouches lipidiques et modèles de biomembranes

Pour pouvoir correctement étudier une protéine membranaire dans un environnement qui soit biologiquement et physiquement cohérent, il est nécessaire de disposer de plusieurs modèles fiables de membranes biologiques. Dans ce but nous avons privilégié une approche globale sur des modèles en bicouches de divers phospholipides : phosphatidyl-choline (PC), phosphatidyl-éthanolamine (PE), phosphatidyl-glycérol (PG) et phosphatidyl-sérine (PS). Des mélanges de ces lipides (surtout PC + PG) ont été également étudiés car ils sont beaucoup plus représentatifs d'une membrane biologique.

Dans l'ensemble la dynamique moléculaire s'est montrée extrèmement robuste vis à vis d'un certain nombre de paramètres dynamiques expérimentaux tels la diffusion latérale, la vélocité angulaire, ...

1.3 - Micelles sphériques et micelles cylindriques ("géantes")

Si les micelles (au sens large) sont des objets qui sont relativement bien connus d'un point de vue expérimental, par contre elles n'ont pas fait l'objet de beaucoup de simulations numériques en particulier au niveau atomique.

Dans une approche générale concernant les assemblages lipidiques complexes il a été entrepris une étude par dynamique moléculaire de divers types de micelles : micelles sphériques, micelles cylindriques ou "géantes" et micelles inverses. Les lipides étudiés peuvent être neutres (octyl-glucoside), zwitterioniques (DCPC par exemple) ou chargés (CTAB ou géminis divers).

Vue en coupe d'une micelle cylindrique de gémini 12-2-12 (les carbones sont en vert, les ammoniums en bleu foncé et les ions bromures en bleu clair, l'eau n'est pas représentée).

2 - Interactions peptides - lipides

2.1 - Interactions de peptides amphipathiques avec des modèles de membranes biologiques

Les peptides amphipathiques constituent une famille importante de composés qui agissent sur les cellules vivantes via une perturbation de leur membrane plasmique. Parmi ces dérivés on trouve des peptides cytotoxiques naturels tels la mélittine extraite du venin d'abeille ou la d-toxine extraite de Staphylococcus aureus mais aussi des peptides entièrement artificiels ne contenant que deux "notes de lipophilie" LEU et LYS de façon à assurer simplement une distribution spatiale lipo-/hydrophilité analogue aux composés naturels. Si l'on est capable à l'heure actuelle de construire des peptides artificiels considérablement plus actifs que les peptides naturels, par contre le mécanisme moléculaire précis responsable de la perméation et de la fragmentation des biomembranes est bien loin d'être compris. Parmi plusieurs techniques susceptibles d'aborder avec succès ce problème (RMN du solide, fluorescence, PIRMASS, ...) on trouve également la mécanique et la dynamique moléculaire.

Etude par dynamique moléculaire de l'interaction d'un peptide amphipathique di-bloc (en rouge) avec un film de Langmuir de DMPC (en vert) dans une boîte d'eau (en bleu).

2.2 - Etude dynamique du surfactant pulmonaire (SP-C)

Le surfactant pulmonaire est une substance présente à l'interface air/liquide située à la surface des poumons des mammifères et dont le rôle est d'abaisser la tension de surface de cet interface. Cet assemblage se compose d'un film monocouche placé sur un empilement de bicouches. Il est constitué à 90% d'un mélange de phospholipides (PC/PG = 9/1) et à 10% de protéines dont la plus petite s'appelle SP-C. Cette dernière possède un secteur hydrophobe structuré en hélice a qui est parallèle aux chaines aliphatiques dans le cas des bicouches mais perpendiculaire à ces chaînes pour la monocouche.

La dynamique moléculaire peut être utilisée avec succés pour décrire très précisemment l'orientation spatiale différente de la protéine SP-C dans les deux types de milieux.

Positionnement de la protéine SP-C dans une bicouche de phospholipides (le ruban de la protéine est en vert, les phosphores en orange et les azotes en bleu).

2.3 - Dynamique et association de secteurs trans-membranaires (NEU-ErbB-2, sous-unités de l'ATP-Synthase)

Le proto-oncogène neu/erbB-2 code pour un récepteur tyrosine kinase de masse moléculaire 185 kDa (1260 AA) qui est impliqué dans la transduction de signal à travers la membrane cellulaire. Lorsqu'un ligand se lie sur la partie extracellulaire, la partie kinase est activée via une dimérisation du récepteur. Le proto-oncogène peut être transformé en oncogène par une seule mutation remplaçant la valine en position 664, dans la zone hydrophobe transmembranaire, par un résidu acide glutamique. Cette substitution est supposée stabiliser les dimères du récepteur et représente le premier exemple d'une mutation dans le domaine transmembranaire d'un récepteur de facteur de croissance qui conduit à l'activation du récepteur et donc à la transformation cellulaire, en absence de ligand. En conséquence la détermination de la structure tridimensionnelle du récepteur activé (Glu 664) ou non activé (Val 664) représente une étape capitale dans la compréhension des mécanismes de transduction du signal, en particulier dans le cas de certaines formes de cancer.

La dynamique de l'interaction de deux secteurs trans-membranaires a été simulée, soit dans un modèle de bicouche lipidique soit à un interface du type eau/chloroforme beaucoup plus mobile. L'étude porte soit sur le domaine trans-membranaire natif soit sur le domaine mutant (V664E) et permet de suivre finement cette interaction sur des domaines de temps intéressants (qq ns).

Le même type d'approche est actuellement en cours dans le cadre de l'étude des sous-unités 4, 6 et 8 du secteur trans-membranaire de l'ATP-Synthase de la levure.

3 - Interactions protéines membranaires - membranes biologiques

Dans le droit fil des études précédentes, plusieurs études sont actuellement en cours concernant l'interaction de protéines membranaires avec des modèles fiables de biomembranes.