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La structure du VIH fissurée à l’aide de simulations basées sur GPU – High-teK.ca

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Cette semaine, un nouvel article décrit comment les chercheurs ont reconstitué l’ensemble de la structure moléculaire de l’enveloppe protéique du virus VIH à l’aide de simulations basées sur GPU. Cette réalisation remarquable ouvre non seulement la voie à de nouvelles approches thérapeutiques du sida, mais établit également les GPU comme des acteurs franchisés dans la simulation moléculaire.

Afin de photographier de très petites choses, comme des virus, elles doivent être imagées avec des électrons plutôt qu’avec de la lumière. Même la microscopie électronique (EM) a cependant ses limites, et pour voir la structure des protéines qui composent un virus, les rayons X sont la sonde de choix. Alors que la cristallographie aux rayons X permet aux chercheurs de comprendre la configuration d’une protéine individuelle, la façon dont ces protéines sont assemblées pour construire le virus nous est encore largement invisible. La seule façon d’obtenir une image de ce qui pourrait se passer dans cette zone grise au milieu est d’alimenter des simulations informatiques massives avec des données provenant des deux extrémités du processus.

Manteau du VIH - capsidePour déterminer la structure de l’enveloppe protéique du VIH (également connue sous le nom de capside), les chercheurs ont effectué des simulations à l’échelle pétascale en utilisant le Supercalculateur Blue Waters à l’Université de l’Illinois. Cette machine a quelques 237 armoires Cray XE6 et 32 ​​armoires Cray XK7 utilisant GPU Nvidia Tesla Kepler capacité de calcul.

À un quadrillion d’opérations par seconde, 100 nanosecondes de mouvement moléculaire détaillé pourraient être simulées sur les 1300 protéines identiques qui composent la capside. Les données ont été utilisées à partir d’une technique d’imagerie EM connue sous le nom de « tomographie cryoélectronique » pour déterminer la structure du noyau du VIH. À une résolution de huit angströms, une disposition approximative de la coque de capside sus-jacente a pu être obtenue.

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On savait déjà que les protéines de la capside ont tendance à former des hexamères et des pentamères (un peu comme l’extérieur d’un ballon de football ou d’un buckyball). En revanche, le virion du VIH était connu pour avoir une forme asymétrique, et il a également été établi que de nombreux virus présentent une certaine variation dans les structures stables qu’ils peuvent adopter. Les chercheurs ont pu simuler 64 millions d’atomes et déterminer que la structure de la capside contient 216 hexamères et 12 pentamères.

Les simulations de dynamique moléculaire appliquent les lois des mouvements aux atomes individuels. Ils comprennent les forces électromagnétiques attractives et répulsives qui agissent sur la particule pour créer leur mouvement complexe. Pour exécuter le modèle, l’espace et le temps sont discrétisés – divisés en petits intervalles numériques – et les forces sont recalculées à chaque fois que la simulation passe à l’itération suivante.

Les chercheurs ont adapté un package de dynamique open source connu sous le nom de NAMD (Not just Another Molecular Dynamics program) pour qu’il s’exécute sur le cluster GPU. Le code a été écrit en utilisant le langage de programmation parallèle Charm++ connu pour son efficacité à simuler des millions de particules ensemble.

Le rôle principal de l’enveloppe de la capside est de protéger le virus lorsqu’il se trouve entre des hôtes cellulaires. Une fois à l’intérieur d’une cellule, elle doit pouvoir s’ouvrir pour libérer la machinerie d’agression génétique du virus. Des médicaments anti-capsides ont été développés pour d’autres virus, mais pour l’instant, il n’en existe aucun pour le VIH. Comprendre comment la capside du VIH est assemblée facilitera le développement de nouveaux médicaments qui provoquent une ouverture prématurée de la capside, voire bloquent complètement son ouverture.

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Document de recherche: doi:10.1038/nature12162 – « Structure de la capside mature du VIH-1 par cryo-microscopie électronique et dynamique moléculaire tout-atome »

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