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Auteur(s)
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Thérèse MALLIAVIN : Chargé de recherches au CNRS - Laboratoire de biochimie théorique, Institut de Biologie Physico-Chimique (IBPC)
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Les simulations de dynamique moléculaire ont pris, depuis une vingtaine d'années, un grand essor en biochimie. Ce développement est certainement lié à celui des moyens de calcul informatique et infographique, mais a aussi bénéficié de l'apport des méthodes biophysiques à l'étude des biomolécules au niveau atomique. Quelques principes de ces méthodes de simulation de dynamique moléculaire et de leur application aux macromolécules biologiques sont succinctement présentés dans cet article.
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Calcul d'une trajectoire de dynamique moléculaire
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1. Cadre du modèle
Les simulations de dynamique moléculaire sont effectuées sur une macromolécule ou un complexe macromoléculaire isolé. On représente, à l’échelle de quelques nanomètres, une solution ou un solide par l’ensemble des coordonnées des atomes le composant, afin de pouvoir simuler à l’aide d’un ordinateur les trajectoires de ces coordonnées au cours du temps. Les méthodes de simulation de dynamique moléculaire ont été développées en physique théorique des liquides dans les années 1980 [37], et permettent, tout en ne simulant effectivement qu'un seul exemplaire de la macromolécule ou du complexe macromoléculaire étudié, d'étudier l'ensemble des macromolécules similaires présentes dans une même solution. Cela est possible, dans le cadre d'un certain nombre d'hypothèses qui seront détaillées dans la suite.
Un des buts de la modélisation moléculaire est la comparaison des énergies des conformères d’une molécule. L’approche la plus rigoureuse serait de résoudre l’équation de Schröndinger sur le système étudié. Cette méthode est complètement hors de portée des approches numériques, et l’ensemble des approches présentées ici repose sur l’approximation de Born-Oppenheimer : les mouvements des électrons autour des atomes et les mouvements des noyaux peuvent être séparés, car la masse des noyaux est bien plus importante que celle des électrons. Dans le cadre de cette approximation, la modélisation du système ne prend en compte que les noyaux des atomes, qui sont représentés par des points affectés d’une masse, et l’effet des électrons est décrit à travers des potentiels empiriques d’énergie d’interaction entre ces points.
1.1 Le modèle
Le système moléculaire étudié est représenté sous la forme des coordonnées des atomes le composant, ces coordonnées étant définies à une translation près du centre de masse, et à une rotation près de l'ensemble du système considéré comme un corps solide. Deux systèmes de coordonnées peuvent être utilisés : les coordonnées cartésiennes définies par rapport à une origine arbitraire, et les coordonnées internes.
On utilise souvent le système de coordonnées internes suivant. La position de chaque atome i est définie...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - AMADEI (A.), LINSSEN (A.B.), BERENDSEN (H.J.) - Essential dynamics of proteins - . Proteins 17, p. 412-425 (1993).
-
(2) - AUFFINGER (P.), BEVERIDGE (D.L.) - A Simple Test for Evaluating the Truncation Effects in Simulations of Systems Involving Charged Groups - . Chem. Phys. Lett. 234, p. 413-415 (1995).
-
(3) - BERENDSEN (H.J.C.), POSTMA (J.P.M.), van GUNSTEREN (W.F.), HERMAN (J.) - Interaction models for water in relation to protein hydration - . in Pullmann B. (Ed.) Intermolecular Forces. Dordrecht, Reidel, p. 331-342 (1981).
-
(4) - BERENDSEN (H.C.), POSTMA (J.P.M.), van GUNSTEREN (W.F.), DINOLA (A.), HACK (J.R.) - Molecular dynamics with coupling to an external bath - . Chem. Phys. 81, p. 3684-3690 (1984).
-
(5) - BROOKS (B.R.), BRUCCOLERI (R.E.), OLAFSON (B.D), STATES (D.J.), SWAMINATHAN (S.), KARPLUS (M.) - A Program for Macromolecular Energy, Minimization, and Dynamics Calculation - . J. Comp. Chem. 4, p.187-217 CHARMM (1983).
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...
ANNEXES
1 Principaux programmes utilisés et leurs champs de force
Les programmes de calcul de trajectoire sont le plus souvent développés sous le système d'exploitation UNIX. Les programmes de visualisation et de manipulation de biomolécules peuvent être disponibles sous UNIX, Windows ou Mac OS.
Trois programmes utilisés en dynamique moléculaire de biomacro-molécules sont distribués aux laboratoires académiques via une licence payante :
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GROMOS ( http://www.igc.ethz.ch/gromos) ;
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AMBER ( https://ambermd.org/) ;
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CHARMM ( http://yuri.harvard.edu/).
Chacun de ces programmes possède son propre champ de force développé pour les biomolécules. Traditionnellement, AMBER est plus orienté vers les calculs faisant intervenir les acides nucléiques, tandis que CHARMM est plus utilisé pour des simulations ne faisant intervenir que des protéines. Une particularité de GROMOS est d'être utilisé pour la simulation de systèmes membranaires.
UHBD ( http://chemcca10.ucsd.edu/uhbd.html) est spécialisé dans des simulations de dynamique brownienne.
Par ailleurs, depuis quelques années, des programmes de simulation de dynamique moléculaire sont développés et diffusés sur Internet sans licence payante. Ces programmes peuvent utiliser un ou plusieurs des champs de force développés dans AMBER,...
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