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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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3. Méthodes pratiques de simulation
Il s’agit d’analyser une trajectoire de dynamique moléculaire et de faire le lien avec l'expérience.
3.1 Choix des coordonnées initiales
Les coordonnées initiales du système peuvent avoir différentes origines :
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(i) structures de macromolécules déterminées par RMN ou par cristallographie des rayons X ;
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(ii) construction des coordonnées atomiques à l’aide d’un logiciel infographique et des valeurs de longueurs et d’angles de liaison (construction in silico) ;
-
(iii) structures prédites par des méthodes bioinformatiques.
Le cas (i) représente la situation de choix pour démarrer une simulation : en effet, on peut s'appuyer sur une information structurale expérimentale. Les cordonnées des systèmes peuvent souvent être téléchargées depuis la base de données PDB (Protein Data Bank : URL) ; elles sont au format PDB (figure 6). Cependant, les structures expérimentales peuvent présenter des défauts (atomes manquants, stéréochimie incorrecte, gênes stériques), dus à un problème expérimental ou bien simplement à une erreur dans la manipulation du format de fichier. C'est pourquoi, il est nécessaire d'examiner attentivement les structures avant de démarrer une simulation. Des programmes, comme PROCHECK [16], permettent d'estimer la qualité d'une structure.
Quand on ne connaît pas la structure des molécules ou du complexe que l'on veut étudier, on peut tenter d'utiliser des méthodes infographiques ou bioinformatiques pour construire des coordonnées initiales. Les méthodes infographiques sont surtout utiles dans le cas de petites molécules, pour lesquelles les contraintes liées à la stéréochimie sont très fortes. Pour certains types de simulations, en particulier les simulations de systèmes membranaires, la construction in silico concerne une partie importante du système, comme les bicouches lipidiques ou les micelles.
Les méthodes bioinformatiques concernent principalement la prédiction de structure 3D de protéines par homologie, lorsque l'on ne possède pas de structure expérimentale permettant de fournir le point de départ de la simulation. Pour ce faire, il faut pouvoir utiliser une protéine de structure connue, et ayant une identité de séquence suffisante avec la protéine étudiée. Cependant, le peu de précision...
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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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