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Comprendre les réactions biochimiques à l'aide du calcul mécanique quantique

Un nouveau programme destiné au calcul de la dynamique quantique devrait surmonter certaines des limites de la dynamique nucléaire quantique conventionnelle. Applicable aux systèmes moléculaires de toutes dimensions, il pourrait être particulièrement important en biologie.
Comprendre les réactions biochimiques à l'aide du calcul mécanique quantique
Le développement rapide de la spectroscopie moléculaire a dévoilé de nouveaux détails de la dynamique nucléaire et électronique, qu'il est nécessaire de bien comprendre en termes de théorie quantique.

La principale équation utilisée pour décrire le comportement des particules à l'échelle quantique est l'équation de Schrödinger. La résolution de cette équation est relativement simple en procédant numériquement pour un système constitué de quelques noyaux et de leurs électrons correspondants. Toutefois, ce calcul est plus difficile dès lors que le nombre de particules qui interagissent augmente.

Les méthodes classiques sont incapables de saisir les effets quantiques importants tels que l'effet tunnel des protons et la dynamique de ces régions où le mouvement nucléaire et électronique est plus difficile à dissocier. Le projet DQDPROT (On-the-fly nonadiabatic quantum dynamics suitable for large biomolecules: Developing the DD-vMCG method) a modernisé la méthode DD-vMCG et l'a appliquée aux systèmes biologiques, la protéine fluorescente verte (GFP) étant au centre de cette étude.

Le mécanisme d'action de la GFP implique l'absorption de lumière bleue, qui provoque un transfert de proton à l'état excité (ESPT). C'est l'unique transfert de ce type connu se produisant dans des molécules biologiquement activées et, bien qu'il ait fait l'objet d'études expérimentales approfondies, son mécanisme soulève encore de nombreuses questions.

Un traitement par dynamique quantique du mécanisme est nécessaire pour l'étude théorique du processus de fluorescence, mais même un simple modèle doit prendre en compte au moins 50 atomes; ce qui rend la tâche impossible en utilisant des méthodes conventionnelles.

Le projet DQDPROT a rencontré quelques problèmes imprévus pendant son déroulement et par rapport aux observations. Il n'a pas été possible de mener à terme tous les objectifs du projet, mais de précieuses améliorations ont néanmoins pu être apportées à la réalisation du programme DD-vMCG.

La manipulation de matrices a été rendue plus robuste. Le traitement des bases de données des énergies, gradients et de Hess, a aussi été considérablement améliorée et sa performance optimisée. Une procédure de mise à jour du cycle de Hess a été mise en place, permettant d'accélérer la dynamique directe; ce qui est particulièrement important pour le calcul onéreux de l'état excité. Celle-ci permettra de progresser dans la modélisation dynamique des réactions théoriques, et des applications importantes en chimie et biologie.

Les résultats, ainsi qu'un examen approfondi de l'état actuel du programme DD-vMCG, ont fait l'objet d'articles dans les revues scientifiques International Reviews in Physical Chemistry et Journal of Chemical Physics.

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Mots-clés

Spectroscopie moléculaire, théorie quantique, équation de Schrödinger, effet tunnel des protons, fluorescence