Les simulations de dynamique moléculaire modélisent le comportement des atomes et des molécules en mouvement. Ces simulations informatiques utilisent les lois physiques, en particulier la dynamique newtonienne classique, et des modèles mathématiques pour calculer les mouvements des particules au fil du temps. Cette technique de simulation permet de visualiser et de comprendre les phénomènes moléculaires qui se produisent à l'échelle microscopique, et aide les scientifiques à résoudre des problèmes complexes. Pour les non-scientifiques, la dynamique moléculaire offre une fenêtre fascinante sur le monde moléculaire qui nous entoure, en nous permettant de voir comment les interactions entre les atomes et les molécules influencent les phénomènes quotidiens.

Pour comprendre le fonctionnement de notre monde, il est souvent nécessaire de s'intéresser à cette échelle moléculaire et aux mouvements des atomes et des molécules qui la composent. Pour citer le physicien et lauréat du prix Nobel Richard Feynman à ce sujet, il a dit un jour :

Tout ce que les êtres vivants font peut être compris par les tremblements et les mouvements des atomes.

La citation originale en Anglais est: "Everything that living things do can be understood by the jiggling and wiggling of atoms". Dans ce contexte, la simulation de dynamique moléculaire est une technique clé qui permet aux scientifiques de relier les mouvements atomiques aux processus biologiques fondamentaux qui sous-tendent la vie. Essayons d'illustrer ceci par des images. Cette citation illustre l'importance fondamentale de comprendre le mouvement des atomes et des molécules dans le comportement des systèmes vivants et est conceptualisée ci-dessous. Il s'agit d'une possible illustration du mouvement inhérent d'un groupement hème avec en son centre l'atome de fer.

Dynamique moléculaire d'un groupement hème

Les simulations de dynamique moléculaire permettent aux chercheurs de "voir" ces mouvements et tremblements en action et d'étudier comment ils affectent des systèmes biologiques complexes, pour remonter aux processus du vivant. Approfondissons l'exemple de l'hème et son rôle dans la fixation de l'oxygène. Le transport de l'oxygène dans le sang se produit en se liant à l'hémoglobine en tant que porteur. Ce processus peut être perturbé par des molécules toxiques telles que le monoxyde de carbone. L'illustration ci-dessous met en évidence le lien entre les mouvements des atomes auxquelles Feynman fait allusion dans sa citation.

Tremblements et mouvements de l'oxygène à proximité de l'hème

Ces "tremblements atomiques" se réfèrent justement au concept sous-jacent des simulations de dynamique moléculaire - et un processus des êtres vivants, à savoir la capture d'oxygène. L'oxygène (rouge) diffuse librement vers le site de liaison de l'hème (jaune) au-dessus de l'atome de fer central lorsque vous respirez de l'air propre (panneau de gauche). Lorsque le monoxyde de carbone (vert) est présent (panneau de droite), il occupe exactement le site où l'oxygène doit se lier, bloquant l'accès de l'oxygène à l'hème. Par conséquent, l'oxygène ne peut pas être transporté dans la circulation sanguine et l'empoisonnement se produit.

Grâce à de telles simulations, les scientifiques peuvent acquérir une compréhension plus profonde des mécanismes physiques sous-jacents à de nombreux processus biologiques, tels que le repliement des protéines, la liaison des médicaments, la catalyse des enzymes et comme nous l'avons illustré ici, le transport de l'oxygène dans le sang. Cela est devenu une méthode de calcul de référence dans de nombreux domaines et est couramment utilisé dans une grande partie de la biologie, de la chimie et de la physique impliquant des processus à l'échelle moléculaire. La citation de Richard Feynman souligne l'importance fondamentale de comprendre le mouvement des atomes et des molécules dans le comportement des systèmes vivants. En somme, la dynamique moléculaire est devenue une méthode de calcul de référence dans de nombreux domaines et est couramment utilisée dans une grande partie de la biologie, de la chimie et de la physique.

La nuit dernière, j'ai pu me plonger dans le fascinant monde de la biochimie et utiliser UnityMol pour étudier le rôle de l'électrostatique dans l'enzyme OmpT (qui est un acronyme pour Outer Membrane Protease T).

Pour ceux qui ne sont pas familiers avec le sujet: L'électrostatique traite de l'étude des charges électriques et de leurs interactions. Dans le contexte des enzymes, les interactions électrostatiques jouent souvent un rôle crucial dans l'activité et la fonction, en particulier dans la liaison des molécules de substrat au site actif de l'enzyme.

J'ai effectué un calcul standard du champ électrostatique de l'enzyme OmpT en utilisant une approche Poisson-Boltzmann avec le logiciel APBS [1]. Ce calcul m'a permis de bien cerner la répartition des charges électriques sur l'enzyme. J'ai ensuite visualisé les résultats sous forme de lignes de champ dans UnityMol [2] et créé une vidéo qui illustre bien comment le substrat du site actif est orienté par les interactions électrostatiques. Les lignes de champ électrostatique émanant de la cavité du site actif guident l'approche d'un substrat hypothétique et illustrent l'importance des interactions électrostatiques pour la fonction de cette enzyme.

Une des choses les plus fascinantes en biochimie est l'encodage de la fonction biologique qui peut souvent se faire dans des propriétés simples telles que la répartition des charges. Une meilleure compréhension de ces propriétés peut révéler de nouvelles idées sur le fonctionnement interne des enzymes. Avec les bons outils, nous pouvons découvrir des trésors cachés qui n'ont pas encore été élucidés.

Même si j'ai effectué cette expérience pour fournir des éléments pour la révision d'un article sur la liaison de substrat de l'enzyme de la membrane externe OmpT, il m'a semblé que le résultat est suffisamment intéressant pour le partager aussi sur ce blog, surtout qu'on est pleinement dans le thème "atomes en vue".

Si vous êtes intéressé par la biochimie et le rôle de l'électrostatique dans les enzymes, je vous recommande de regarder cette vidéo et de vous intéresser à des logiciels comme UnityMol. D'incroyables découvertes peuvent être faites en combinant un logiciel de pointe et un esprit curieux !

[1] Jurrus, E.; Engel, D.; Star, K.; Monson, K.; Brandi, J.; Felberg, L.E.; Brookes, D.H.; Wilson, L.; Chen, J.; Liles, K.; et al. Improvements to the APBS Biomolecular Solvation Software Suite. Protein Sci 2018, 27, 112–128, doi:10.1002/pro.3280.

[2] Laureanti, J.; Brandi, J.; Offor, E.; Engel, D.; Rallo, R.; Ginovska, B.; Martinez, X.; Baaden, M.; Baker, N.A. Visualizing Biomolecular Electrostatics in Virtual Reality with UnityMol-APBS. Protein Sci 2020, 29, 237–246, doi:10.1002/pro.3773.

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