N. Leulliot et M. Ghomi
Laboratoire de Physicochimie Biomoléculaire et Cellulaire, UPRESA 7033,
Université Pierre et Marie Curie, 4 Place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05

La modélisation des molécules d’intérêt biologique est confrontée au problème de la grande taille de ces molécules. Un équilibre devrait être trouvé entre les simplifications et approximations introduites dans le modèle théorique permettant leur étude, et la taille de la molécule au-delà de laquelle les temps de calcul deviendraient trop importants. L’une des raisons pour laquelle au cours de ces dernières années les méthodes de modélisation moléculaires relevant de la mécanique classique ont connu un succès grandissant, était liée au fait que l’on pouvait traiter des systèmes de grande taille avec des fonctions potentiel ad hoc reflétant de façon raisonnable les interactions atomiques dans le cadre de l’approximation de Born-Oppenheimer.

Depuis quelques années, l’évolution conjointe des moyens informatiques (supercalculateurs et micro-ordinateurs) utilisant les architectures vectorielles et parallèles, et les logiciels adéquats de chimie théorique, permet d’aborder l’étude des molécules de taille importante par des méthodes relevant de la mécanique quantique. Cependant la prise en compte de la corrélation électronique dans le cadre des méthodes ab initio traditionnelles (MPn, CI) restait un problème majeur, compte tenu du temps de calcul nécessaire. La théorie de la fonctionnelle de densité (prix Nobel 1998) présente ici un compromis intéressant grâce au développement des fonctionnelles d’échange et de corrélation hybrides permettant de modéliser la structure électronique en un temps comparable aux calculs Hartree-Fock (sans corrélation).

Pour la première fois, nous avons appliqué ces calculs aux différents constituants de l’ARN, une molécule dont le rôle biologique nécessite son analyse structurale. Nous avons donc déterminé avec précision les propriétés structurales de cette molécule telles que : le plissement des sucres, l’orientation des bases, la conformation du squelette phosphodiester en incluant explicitement la présence de contre-ions et/ou des molécules du solvant. Nous avons analysé de façon systématique les changements structuraux des différents constituants de l’ARN, permettant d’assurer ses transitions conformationnelles (A?Z, chaîne étirée?chaîne replié). De cette étude, il ressort également des résultats extrêmement intéressants quant aux liaisons hydrogène intramoléculaires atypiques de familles C-H...O et O-H...O jouant un rôle indéniable dans la stabilité des macromolécules biologiques.

Nous avons pu vérifier l’ensemble des résultats calculés en les confrontant à ceux observés expérimentalement par diverses techniques spectroscopiques: vibrationnelle optique, RMN et de diffusion de neutrons.