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Cette équipe-projet a pour but de regrouper les théoriciens, physiciens et chimistes, qui travaillent sur le développement de méthodes de description de la matière allant de l’atome à l’assemblage de macromolécules et de l’influence de l’environnement sur les propriétés physiques ou chimiques de la matière


 


Contexte et positionnement du projet


Cette équipe-projet résulte de l’association de l’équipe Physique des Collisions et Radiobiologie de l’EA 3941 (Laboratoire de Physique Moléculaire et des Collisions, Metz), de l’équipe de Chimie et Biochimie Théoriques de l’UMR 7565 et de l’équipe de Dynamique des Assemblages Membranaires de l’UMR 7565.
 Les aspects scientifiques développés portent tous sur une meilleure description de la matière moléculaire (ou atomique) et de son interaction avec l’environnement, qu’il soit de type rayonnement (photon, ion, électron ou champ électrique extérieur) ou de type matériel (solvant, partie spectatrice d’une macromolécule…). L’ensemble des sujets proposés s’articule en trois grands axes mentionnés ci-dessous.



1. Interaction rayonnement-molécules.

Ce premier axe est dédié aux phénomènes d’ionisation ou d’excitation résultant de l’interaction entre un rayonnement (qu’il soit particulaire ou électromagnétique) et une molécule. La bonne compréhension de ces phénomènes nécessite d’approfondir nos travaux sur la description de la corrélation électronique, sur le calcul des sections efficaces ainsi que sur le transfert d’électron.

a) La description quantique des corrélations électroniques (L.U. Ancarani, B. Joulakian) est un des points clés pour la modélisation des processus de collisions entre particules chargées et atomes/molécules. Les fonctions d’onde des états liés et du continuum (systèmes à trois et quatre corps) qui peuvent être considérés comme des briques élémentaires à utiliser pour affronter des systèmes plus complexes nous serviront de base. Nous développerons en particulier l’utilisation de bases Sturmiennes (méthode ab initio qui se base sur l’approche d’Interaction de Configurations) pour la description du problème à trois corps liés, ainsi que pour l’étude de processus d’ionisation/fragmentation (collaboration avec l’équipe de G.Gasaneo, Argentine entre autres).

b) Nous (L.U. Ancarani, C. Champion, C. Dal Cappello,J. Hanssen, B. Joulakian) poursuivrons la modélisation de collisions ionisantes entre des particules chargées et des cibles atomiques et moléculaires (en particulier celles d’intérêt biologique), domaine dans lequel nous avons une expertise reconnue internationalement. Il pourrait également être envisagé d’utiliser les techniques de la dynamique moléculaire, bien maîtrisée par l’équipe TMS, pour étudier la fragmentation de molécules par impact d’électrons ou d’ions.
Enfin l’influence de la phase thermodynamique sur les sections efficaces d’ionisation et de capture électronique sur des molécules d’intérêt biologique pourrait constituer une autre piste à explorer.

c) Fort de notre expérience sur les états électroniques excités de macrosystèmes, nous (A. Monari, X. Assfeld) comptons maintenant nous pencher sur les transferts électroniques (capture ou perte) dans ces mêmes états. Les formalismes LSCF et Constrained-DFT seront utilisés pour « diabatiser » les fonctions d’onde. Nous comptons mettre à profit notre association avec le groupe de physique pour affiner nos méthodes. Les applications directes toucheront les piles photovoltaïques (équipe/projet Photosens), l’électronique moléculaire, ainsi que certains systèmes biologiques ou photocatalytiques.


 


2. Interactions intermoléculaires, état liquide


Dans cet axe, nous poursuivrons le développement de méthodes originales de simulation par dynamique moléculaire basées sur la description quantique d’une partie du système, ou de sa totalité. Nos travaux comportent par ailleurs des améliorations des champs de force classiques et une reparamétrisation des méthodes quantiques semi-empiriques. On peut schématiser l’ensemble des développements comme suit :

a) Champs de forces classiques élaborés (C. Millot et F. Dehez) : poursuite du développement des champs de force polarisables, inclusion des effets de transfert de charge, paramétrisation à partir de calculs de chimie quantique. Les applications se feront dans le contexte du projet ReSolve (liquides ioniques) et AFAM (systèmes biologiques).

b) Approche QM/MM/MD (M. Ruiz-Lopez, M. Martins-Costa, A. Lambert) : on introduira une nouvelle option dans notre code permettant la description d’une solution comportant plusieurs solutés QM. En fonction de leur distance relative, ceux-ci seront inclus dans le même calcul QM ou dans des calculs séparés, avec une zone tampon intermédiaire qui assurera la continuité. Nous souhaitons approfondir par cette méthode l’étude de certains processus ioniques/radicalaires aux interfaces liquide-liquide et/ou air-liquide. Applications dans le contexte du projet ReSolve (systèmes aqueux/micellaires, interfaces).

c) Approche SEBOMD (G. Monard, F. Ingrosso, A. Genoni, M. Ruiz-Lopez) : cette méthode permet une description quantique de l’ensemble du système soluté/solvant. Elle utilise une méthode semi-empirique à croissance linéaire paramétrée pour décrire correctement les interactions intermoléculaires. Son intégration dans la version officielle d’AMBER est en cours. Les développements futurs incluront des algorithmes permettant l’interprétation des spectres IR et les processus de relaxation vibrationnel. Une méthode originale de projection permettant l’extraction de la fonction d’onde du soluté (et donc le calcul de ses propriétés) à partir de la fonction d’onde du système complet est envisagée. Applications dans le contexte du projet ReSolve (CO2 supercritique en particulier).


 


3. Interactions biomoléculaires


Les méthodes de simulation présentées ci-dessus pour les travaux concernant l’état liquide pourront être utilisées également dans l’étude de processus biologiques. Le travail méthodologique spécifique au domaine de la biochimie théorique et de la biophysique constitue le troisième axe.

a) Protéines, enzymes (G. Monard, F. Ingrosso, A. Genoni). L’étude des réactions enzymatiques nécessite le développement de méthodes de calcul pour décrire les interactions enzyme-substrat, pour connaitre l’état de protonation des acides aminés, pour évaluer les barrières d’activation et pour effectuer des moyennes statistiques. Nous poursuivrons nos travaux sur les algorithmes génétiques de docking avec l’approche SEBOMD et le développement de la méthode PropKa (collaboration avec J. Jensen, Danemark) pour la détermination rapide et précise des pKa. Une méthode QM/QM’ à croissance linéaire pour les protéines sera développée utilisant le concept « d’orbitales moléculaires extrêmement localisées » ; ces fonctions seront déduites des données cristallographiques et stockées dans une base de données. Applications dans le cadre du projet ReSolv et collaborations avec la Fédération Bioingénierie à Nancy (projet Labex soumis).

b) Microcalorimétrie computationnelle. Calculs d’énergie libre haute performance. (C.Chipot, F. Dehez) Dans le cadre de TMS, nous développons des approches originales pour la détermination d’énergies libres, notamment pour la prédiction d’affinités standards protéine-ligand et protéine-protéine, de perméabilités de la membrane biologique et de transitions conformationnelles complexes. Ces approches associent à des algorithmes d’échantillonnage d’importance des schémas de marcheurs multiples.

c) Communication cellulaire (M. Tarek). On utilisera et développera des méthodes de simulation pour manipuler les objets moléculaires impliqués dans les phénomènes de transport au travers des membranes biologiques, comme :

  • L’électroporation pour véhiculer des anticancéreux ou des ARN-Si sous champ électrique.
  • Des nanostructures de carbone comme vecteurs de médicaments ou de plasmide. Ce projet sera fortement impliqué dans l’action NanoSMS GrandEst.
  • Des modèles gros grains (Coarse Grain) puisque les résultats obtenus sur l’action antibactérienne de cycles peptidiques à l’aide de modèles gros grains, montrent qu’il est possible d’utiliser ces champs de forces pour étudier le repliement de peptides et leurs interactions avec les membranes. Nous poursuivrons ce développement en visant le couplage de type QM/MM/CG


 



 

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