Neurosim (Ibercivis)

Neurosim (Ibercivis)

Etudier la structure tridimensionnelle des neuropeptides pour en déduire leurs fonctions INSCRIPTION Télécharger BOINC (tutorial) URL du projet : http://registro.ibercivis.es/

IBERCIVIS

 

Ibercivis est une plateforme multi-projets gérée par l'Institut de bio-informatique et de Physique des Systèmes Complexes (BIFI, Instituto de Biocomputación y Física de Sistemas Complejos) de l'université de Saragosse. La plateforme héberge 11 projets de recherche et 15 applications. Sans action de votre part, le projet téléchargera ces 15 applications et vous recevrez des unités de calcul en fonction des disponibilités et du besoin en puissance de calcul de ces différents projets.

Mais vous pouvez aussi choisir de calculer pour un, plusieurs ou la totalité de ces 11 projets.

Pour cela, il faut vous rendre sur la page "Mes projets".

 

LE PROJET NEUROSIM



Séquence d'acides aminés et structure des protéines

Les protéines sont composées d'acides aminés, eux-mêmes constitués de quelques atomes. Dans les protéines, le code génétique détermine dans quel ordre les acides aminés seront disposés, c'est ce qu'on appelle la séquence d'une protéine. Cette séquence se compose d'un nombre variable d'acides aminés (de quelques centaines à plusieurs dizaines de milliers), c'est la structure primaire de la protéine.




Cette séquence se replie d'une certaine manière et forme la structure tri-dimensionnelle (3D) de la protéine. Grâce à la structure 3D, on peut reconnaitre certaines sous-structures très communes dans les protéines : les hélices alpha, les feuillets bêta, les coudes, etc . Ces structures sont constituées d'un petit nombre d'acides aminés. On appelle cela la structure secondaire de la protéine.

Sur l'image (à gauche): Représentation CPK d'une protéine présente dans la membrane cellulaire des neurones du système nerveux central. Elle est constituée de 374 acides aminés, et d'un total de 6700 atomes. Notez la complexité de cette structure. A droite: représentation en ruban de la même protéine. Ici, la chaine principale de la protéine est représentée par une forme continue. Notez la présence d'une hélice en forme de tire-bouchon. Ce sont les structures secondaires appelées hélices alpha.

Les différentes sous-structures caractéristiques sont reliées les unes aux autres et forment la structure tertiaire ou structure tridimensionnelle des protéines. La structure 3D d'une protéine est intimement liée à sa fonction. Parfois, plusieurs structures tertiaires se regroupent d'une certaine manière, on dit alors qu'elles forment une structure quaternaire.


Le défi de déduire la structure 3D des protéines

Nous connaissons la séquence de nombreuses protéines (plusieurs millions). Cependant, avec les techniques actuelles (diffractométrie de rayons X, résonance magnétique nucléaire, microscopie électronique, etc) nous n'avons pu déterminer la structure tertiaire que d'un petit pourcentage de ces protéines.

Partant du principe que la nature des acides aminés qui composent une protéine et leur ordre prédéterminent la structure finale de cette protéine, l'un des plus grands défis de la science moderne est de déduire cette structure 3D à partir de la succession linéaire des acides aminés (la structure primaire ou séquence)

Pour faire la lumière sur le processus de construction des protéines, des scientifiques de l'Institut de Structure de la Matière du CSIC analysent les propriétés structurelles d'acides aminés et de petits peptides (séquences de quelques dizaines d'acides aminés) connus sous le nom de neuropeptides. Ces peptides agissent dans le cerveau et dans le système nerveux, ils interviennent sur les mécanismes nerveux qui sous-tendent l'apprentissage et la mémoire.


Acides aminés et Ibercivis

Sur la photo: Boîte qui permet de simuler une dynamique moléculaire. La structure de l'acide aminé est représentée sous la forme de sphères, suivant la représentation dite de Van der Waals. L'ensemble des "bâtons" qui l'entourent représente les molécules d'eau. La simulation se fait en modélisant cette boîte en trois dimensions de telle manière à obtenir une véritable dissolution de l'acide aminé.

Pour chaque acide aminé, il existe de nombreuses structures (ou conformations) possibles selon l'agencement des atomes. La conformation la plus probable d'un acide aminé est celle pour laquelle l'énergie associée à l'union de ses atomes est la plus faible. La méthode utilisée pour calculer l'énergie de chaque conformation consiste à simuler le mouvement des molécules en milieu aqueux.

L'information obtenue à l'aide des simulations permet de créer ce qu'on appelle le paysage énergétique de la structure de chaque acide aminé. Cette méthode revêt un intérêt indéniable, notamment lorsqu'il s'agira de passer à la prochaine étape: reconstruire des polypeptides et des protéines.

Avec cette méthode, la simulation d'une conformation prend en moyenne 75 heures sur un ordinateur individuel. Si l'on considère qu'avec 20 acides aminés, il existe 25.000 conformations possibles, il faudrait deux millions d'heures, ou disons, 200 ans pour achever les travaux. Sur Ibercivis, les ordinateurs des volontaires calculent une petite fraction de la simulation. La distribution des tâches entre des milliers d'ordinateurs réduira à quelques mois le temps nécessaire pour terminer le travail.




En savoir plus

Les neuropeptides

Un neuropeptide est une chaîne de deux ou plusieurs acides aminés, ils sont sécrétés par le cerveau. Ils se distinguent des autres protéines par le nombre d'acides aminés qui les constituent. Seuls un millier de neuropeptides ont été séquencés. Leur taille varie de 2 à plus de 40 acides aminés. Ils participent aux processus suivants :

- Les mécanismes nerveux qui sous-tendent l'apprentissage et la mémoire
- La régulation de la faim et de la soif
- Les stimulations affectives et sexuelles
- La perception de la douleur

L'objectif de cette recherche est d'étudier la structure de ces neuropeptides et d'en déduire leurs fonctions.


Le paysage énergétique


Sur ce graphique, on peut observer plusieurs dépressions séparées par des sommets. La profondeur de ces dépressions indique la stabilité de la structure étudiée. Plus la dépression est creuse, et plus la conformation qui s'y rapporte sera stable. Mais, il existe de nombreuses dépressions, qui correspondent à des structures plus ou moins stables, séparées par des sommets plus ou moins élevés. Cette image reflète la difficulté qu'il y a de passer d"une structure stable à une autre.
Ces "paysages", obtenus grâce aux simulations calculées sur Ibercivis, seront partagés avec l'ensemble de la communauté des chercheurs au moyen d'une base de données publique.

Sur l'image présentée ci-contre, la carte montre le paysage énergétique d'un acide aminé. Elle représente l'énergie qui dépend de deux paramètres géométriques (notamment, l'angle de torsion (ou de rotation) des atomes de la chaîne principale). Nous pouvons observer plusieurs dépressions qui correspondent à des minimums énergétiques. Ils correspondent aux conformations les plus stables et donc aux structures les plus probables.


L'équipe de recherche

De gauche à droite : Sara Sanmartín, Nuria Robledo, Dr. Juan Francisco Vega, Prof. Javier Martínez-Salazar, Dr. Javier Ramos, Jon Otegui et Dr. Victor Cruz.

Le groupe de recherche sur la structure moléculaire et les propriété des polymères (GEMPPO, Grupo de Estructura Molecular y Propiedades de Polímeros) fait partie de l'institut de structure de la matière au sein du conseil supérieur espagnol de la recherche scientifique (CSIC).

Depuis plus de 15 ans, ils ont développé leur activité de recherche en s'appuyant sur une chaîne de connaissances scientifiques dans les domaines de la biologie et des polymères synthétiques. Une attention toute particulière est portée aux technologies actuelles grâce à de multiples passerelles avec des entreprises.

L'équipe de recherche se livre à la fois à des expériences et à des simulations informatiques pour comprendre les propriétés physiques des macromolécules. La synergie entre les expériences et la théorie permet d'obtenir une vision globale des problèmes scientifiques actuels dans ce domaine. Actuellement, l'étude des protéines prend de plus en plus d'importance dans  leurs recherches.

Plus d'informations :  http://www.gemppo.iem.csic.es/gemppo/


Vidéo


Cette vidéo montre la dynamique moléculaire et la conformation en trois dimensions de l'Alanine (un acide aminé). Les molécules d'eau sont "gommées" pour se concentrer sur le mouvement de l'acide aminé. On peut ainsi se rendre compte du nombre de positions relatives que les atomes peuvent prendre.