Chimie quantique de l'évolution moléculaire

L’étudiant au doctorat Lázaro A. M. Castanedo et son conseiller Chérif F. Matta tentent de répondre à l’une des questions fondamentales de l’évolution moléculaire : Pourquoi la nature a-t-elle choisi la structure particulière de l’ADN que les humains possèdent aujourd’hui comme support de leur information génétique plutôt qu’un autre choix tout aussi plausible ? 

“En l’absence de contraintes, les réactions chimiques de la nature choisissent toujours le chemin qui est le moins coûteux en termes d’énergie libre de Gibbs”, explique Matta, professeur au Département de chimie et de physique à l’Université Mount Saint Vincent. L’énergie libre de Gibbs équilibre la tendance de la nature à augmenter le désordre au fil du temps et sa tendance à chercher l’énergie la plus basse possible. “La nature aurait-elle pu faire des choix moins coûteux que ceux qui ont conduit à l’ADN d’aujourd’hui ? Si oui, pourquoi ne l’a-t-elle pas fait ?” 

En décrivant le projet, Castanedo, qui poursuit son doctorat à l’Université Saint Mary’s en collaboration avec l’Université Mount Saint Vincent, explique qu’il compare les énergies de différentes combinaisons de blocs de construction des acides nucléiques (c’est-à-dire l’ADN et l’ARN). De plus, les manuels de chimie offrent de nombreuses descriptions des différences structurelles et chimiques entre l’ADN et l’ARN, mais Castanedo et Matta veulent savoir pourquoi c’est le cas et si les formes observées sont d’une certaine manière énergétiquement avantageuses. 

À titre de prolongement de ce travail, ils étudient également si certaines des nucléotides que la nature n’a pas choisies ont des applications dans le développement de médicaments. 

“L’une des applications de la découverte de nouvelles nucléotides est qu’elles peuvent être utilisées pour produire des structures moléculaires similaires pour la découverte de médicaments”, déclare Castanedo, qui a reçu la bourse de recherche Abe Leventhal 2020 de la Société de l’Alzheimer de la Nouvelle-Écosse pour son travail dans le développement de molécules visant à prévenir et détecter les démences. “Elles pourraient être utilisées pour développer de nouveaux traitements contre la maladie d’Alzheimer, le cancer et d’autres maladies.” 

Castanedo affirme qu’il pourrait mener cette recherche en laboratoire en synthétisant et en comparant les composants, ce qui prendrait des décennies de travail humain, ou qu’il pourrait plutôt l’aborder de manière théorique en utilisant des ordinateurs, ce qui prendrait une fraction du temps. 

“Nous prédisons ce qui se passe dans le ‘monde réel’ en utilisant l’infrastructure de calcul numérique de l’Alliance de recherche numérique du Canada et d’ACENET, qui dispose de milliers de cœurs et d’un éventail de logiciels de chimie quantique de pointe. Ainsi, vous pouvez effectivement créer un modèle de cette molécule sur l’ordinateur et obtenir, parmi d’autres propriétés, son énergie libre de Gibbs.”

Castanedo est l’un des utilisateurs les plus exigeants en termes de puissance de calcul de Saint Mary’s — avec 235 000 heures de CPU rien qu’en 2022 (soit environ 27 années de temps de calcul) — car il analyse un total de 2 530 molécules pour ce projet. 

“Pour chacune de ces molécules, un processeur doit fonctionner en continu pendant environ 20 à 200 heures de CPU. Ces calculs sont très exigeants sur le plan computationnel, car nous utilisons des niveaux élevés de théorie chimique quantique, comme la théorie de la fonctionnelle de la densité (DFT), pour obtenir des prédictions précises”, déclare-t-il.

“Ils génèrent beaucoup de données”, déclare Matta, “donc il faut savoir ce que vous cherchez — une aiguille dans une botte de foin, pour ainsi dire.” 

Bien que des données préliminaires aient déjà été rendues publiques, une grande partie de ce travail reste à publier.