Interprétation de données expérimentales par simulation et visualisation moléculaire interactive

Interpretation of experimental data through interactive simulation and molecular visualization

• Auteur / Autrice : André Lanrezac
• Direction : Marc Baaden
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Chimie physique
• Date : Soutenance le 04/05/2023
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biochimie théorique (Paris ; 1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Samuela Pasquali
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphanie Baud, James N. Sturgis

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hydrophobicité

Protéines membranaires

Modèles mathématiques

Molécules

Interaction humain-machine

Simulation par ordinateur

Mots clés libres

Simulations moléculaire interactive

Interaction homme-machine

Modélisation moléculaire

Environnements virtuels

Visualisation interactive

Intuition humaine

Membrane implicite

Incorporation de protéines membranaires

Échelle d'hydrophobicité

Interactive molecular simulations

Human-computer interaction

Molecular modeling

Virtual environments

Interactive visualization

Human intuition

Implicite membrane

Lipid-bilayer insertion

Hydrophobicity scale

Résumé

L'objectif de l'approche des simulations moléculaires interactive (Interactive Molecular Simulations - IMS) est d'observer en direct la dynamique conformationnelle d'une simulation moléculaire en cours. Le retour visuel instantané permet un suivi instructif ainsi que l'observation des changements structurels imposés par la manipulation de l'IMS par l'utilisateur. J'ai mené une étude approfondie des connaissances pour rassembler et synthétiser l'ensemble des recherches qui ont développé l'IMS. La dynamique moléculaire interactive (Interactive Molecular Dynamics - IMD) est l'un des premiers protocoles IMS qui a posé les bases du développement de cette approche. Mon laboratoire de thèse s'est inspirée de celle-ci pour développer le moteur de simulation BioSpring basé sur le modèle de réseaux élastique. Ce modèle permet de simuler la flexibilité de grands ensembles biomoléculaires et ainsi potentiellement révéler des changements à longue échelle de temps qui ne seraient pas facilement saisis par la dynamique moléculaire. Ce moteur de simulation ainsi que le logiciel de visualisation UnityMol, développé par le biais du moteur de jeu Unity3D, et liés par l'interface de communication MDDriver ont été étendus pour les faire converger vers une suite logicielle complète. Le but est de fournir à un expérimentateur, qu'il soit expert ou profane, une boîte à outils complète pour modéliser, afficher et contrôler interactivement l'ensemble des paramètres d'une simulation. L'implémentation particulière d'un tel protocole, basé sur une communication formalisée et extensible entre les différents composants, a été pensée pour pouvoir facilement intégrer de nouvelles possibilités de manipulation interactive et des jeux de données expérimentales qui s'ajouteront aux contraintes imposées à la simulation. L'utilisateur peut donc manipuler la molécule d'intérêt sous le contrôle des propriétés biophysiques intégrés dans le modèle simulé, tout en ayant la possibilité de piloter à la volée les paramètres de simulation. Aussi, un des objectifs initiaux de cette thèse était d'intégrer la gestion des contraintes d'interaction ambigües du logiciel d'amarrage biomoléculaire HADDOCK directement dans UnityMol, rendant possible l'utilisation de ces mêmes contraintes à une variété de moteurs de simulations. Un axe principal de ces recherches était de développer un algorithme de positionnement rapide et interactif de protéines dans des membranes implicite tiré d'un modèle appelé Integrative Membrane Protein and Lipid Association Method (IMPALA) développée par l'équipe de Robert Brasseur en 1998. La première étape consistait à effectuer une recherche approfondie des conditions dans lesquelles les expériences ont été réalisées à l'époque, afin de vérifier la méthode et de valider notre propre implémentation. Nous verrons qu'elle ouvre des questions intéressantes sur la manière dont on peut reproduire les expériences scientifiques. L'étape finale qui conclue cette thèse était le développement d'une nouvelle méthode universelle d'interaction lipide-protéine, UNILIPID, qui est un modèle d'incorporation interactif de protéines dans les membranes implicites. Elle est indépendante de l'échelle de représentation, peut être appliquée à des niveaux tout atomes, gros-grains jusqu'au niveau d'un grain par acide aminé. La représentation de la dernière version Martini3[6] ainsi qu'une méthode d'échantillonnage Monte-Carlo et de simulation de dynamique des corps rigides ont été spécialement intégrés à la méthode, en plus de divers outils de préparation de systèmes. En outre, UNILIPID est une approche versatile qui reproduit précisément des termes d'hydrophobicité expérimentaux pour chaque acide aminé. En plus de membranes implicites simples, je décrirai une implémentation analytique de membranes doubles ainsi qu'une généralisation à des membranes de forme arbitraire, toutes deux s'appuyant sur des applications inédites.

The goal of Interactive Molecular Simulations (IMS) is to observe the conformational dynamics of a molecular simulation in real-time. Instant visual feedback enables informative monitoring and observation of structural changes imposed by the user's manipulation of the IMS. I conducted an in-depth study of knowledge to gather and synthesize all the research that has developed IMS. Interactive Molecular Dynamics (IMD) is one of the first IMS protocols that laid the foundation for the development of this approach. My thesis laboratory was inspired by IMD to develop the BioSpring simulation engine based on the elastic network model. This model allows for the simulation of the flexibility of large biomolecular ensembles, potentially revealing long-timescale changes that would not be easily captured by molecular dynamics. This simulation engine, along with the UnityMol visualization software, developed through the Unity3D game engine, and linked by the MDDriver communication interface, has been extended to converge towards a complete software suite. The goal is to provide an experimenter, whether an expert or novice, with a complete toolbox for modeling, displaying, and interactively controlling all parameters of a simulation. The particular implementation of such a protocol, based on formalized and extensible communication between the different components, was designed to easily integrate new possibilities for interactive manipulation and sets of experimental data that will be added to the restraints imposed on the simulation. Therefore, the user can manipulate the molecule of interest under the control of biophysical properties integrated into the simulated model, while also having the ability to dynamically adjust simulation parameters. Furthermore, one of the initial objectives of this thesis was to integrate the management of ambiguous interaction constraints from the HADDOCK biomolecular docking software directly into UnityMol, making it possible to use these same restraints with a variety of simulation engines. A primary focus of this research was to develop a fast and interactive protein positioning algorithm in implicit membranes using a model called the Integrative Membrane Protein and Lipid Association Method (IMPALA), developed by Robert Brasseur's team in 1998. The first step was to conduct an in-depth search of the conditions under which the experiments were performed at the time to verify the method and validate our own implementation. We will see that this opens up interesting questions about how scientific experiments can be reproduced. The final step that concluded this thesis was the development of a new universal lipid-protein interaction method, UNILIPID, which is an interactive protein incorporation model in implicit membranes. It is independent of the representation scale and can be applied at the all-atom, coarse-grain, or grain-by-grain level. The latest Martini3 representation, as well as a Monte Carlo sampling method and rigid body dynamics simulation, have been specially integrated into the method, in addition to various system preparation tools. Furthermore, UNILIPID is a versatile approach that precisely reproduces experimental hydrophobicity terms for each amino acid. In addition to simple implicit membranes, I will describe an analytical implementation of double membranes as well as a generalization to arbitrarily shaped membranes, both of which rely on novel applications.