Des informaticiens du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie ont publié une étude dans le Journal of Chemical Theory and Computation. qui remet en question un facteur reconnu depuis longtemps dans la simulation de la dynamique moléculaire de l'eau :le pas de temps de 2 femtosecondes (un quadrillionième de seconde). La femtoseconde est une échelle de temps utilisée par les scientifiques pour mesurer les processus ultrarapides des atomes et des molécules.

Selon les résultats de l'équipe, l'utilisation d'un pas de temps supérieur à 0,5 femtoseconde (l'intervalle de temps auquel une simulation informatique est analysée) peut introduire des erreurs à la fois dans la dynamique et la thermodynamique lors de la simulation de l'eau à l'aide d'une description de corps rigide.

L'eau étant le composant le plus répandu dans les simulations biomoléculaires (des ensembles de protéines aux acides nucléiques), la recommandation de l'équipe d'un pas de temps de 0,5 femtoseconde pour une meilleure précision pourrait provoquer des vagues dans la communauté scientifique. Le pas de temps de 2 femtosecondes est accepté comme norme dans les simulations d'eau depuis près de 50 ans.

"Cela a de vastes implications car l'eau est le constituant actif de la biologie cellulaire. L'eau est la matrice de la vie, et toutes les simulations que nous effectuons sur les systèmes biologiques se déroulent toujours dans l'eau. Mais si vous simulez ce fluide de manière à briser un principe fondamental de la mécanique statistique d'équilibre, c'est un problème", a déclaré le co-auteur Dilip Asthagiri, chercheur biomédical informatique principal au sein du groupe Informatique avancée pour les sciences de la vie et l'ingénierie de l'ORNL.

Les simulations moléculaires résolvent les équations newtoniennes du mouvement pour élucider l’évolution des molécules au fil du temps. La détermination des températures résultantes du système est particulièrement intéressante pour les chercheurs effectuant de tels calculs.

L'un des principes de la mécanique statistique est que si un système est en équilibre, alors les températures associées à son mouvement de translation (mouvement le long d'une ligne) et à son mouvement de rotation doivent être les mêmes. Si ces deux températures diffèrent, alors la simulation n’est pas en équilibre. Selon les conclusions de l'équipe, c'est là le problème essentiel lié à l'utilisation de pas de temps supérieurs à 0,5 femtoseconde pour simuler l'eau.

L'utilisation du pas de temps de 2 femtoseconde dans les simulations est issue d'un article publié en 1977, à une époque où le temps de calcul était beaucoup plus coûteux en calcul. Étant donné que la liaison flexible entre l’oxygène et l’hydrogène vibre rapidement, les pas de temps nécessaires pour calculer avec précision cette vibration sont très faibles, ce qui nécessite plus de temps de calcul pour capturer suffisamment d’intervalles à étudier. Parce que ce mouvement est le plus rapide, ce pas de temps est celui qui doit être utilisé dans l'évolution pour obtenir la bonne réponse.

Les auteurs de l'article voulaient savoir s'il existait un moyen d'utiliser des pas de temps plus longs et de permettre moins d'intervalles et des simulations plus longues. C'est précisément pour cela que ces chercheurs ont proposé une description de l'eau sous forme de corps rigide.

"Les travaux de 1977 disaient essentiellement que les vibrations de la liaison oxygène-hydrogène peuvent être découplées de la translation et de la rotation, et donc le gel des vibrations en traitant l'eau comme un corps rigide devrait permettre de faire un grand pas de temps", a déclaré Asthagiri. "Depuis cette époque, le modèle de liaison rigide est devenu la norme, la manière canonique dont les scientifiques envisagent les choses."

Mais Asthagiri a découvert que l'utilisation de cette méthode peut provoquer des écarts de température entre les mouvements de translation et de rotation des molécules d'eau, ce qui signifie que la simulation peut produire des résultats incorrects.

"Ce que Dilip a découvert, c'est qu'avec un pas de temps trop long, on a tendance à obtenir des valeurs inexactes à la fois pour la thermodynamique et la dynamique du mouvement de l'eau, qui est le milieu dans lequel toutes ces molécules se déplacent. En effet, vous pouvez Vous obtenez une fausse friction, soit trop grande, soit trop petite, en raison de cette approximation d'un pas de temps trop long. Et si vous supprimez la friction, cela signifie que le mouvement de ces molécules sera également interrompu", a déclaré le co- auteur Tom Beck, chef de section de l'engagement scientifique au Centre national des sciences informatiques de l'ORNL.

Asthagiri a remarqué pour la première fois cette disparité de températures en tant que professeur-chercheur à l'Université Rice en 2021. Lui et un étudiant diplômé simulaient de l'eau en régime de surfusion et ont découvert que la température moyenne dans le fichier journal était inférieure à la température de consigne.

"Il y avait une différence de 1 Kelvin, et vous pouvez facilement l'ignorer, mais elle était systématiquement observée à différentes températures. Et c'était l'indice qu'il y avait quelque chose qui n'allait pas – d'accord, peut-être une température, mais plusieurs températures avec le même comportement ? Là Il doit y avoir quelque chose qui ne va pas", a déclaré Asthagiri.

Après avoir rejoint l’ORNL en 2022, Asthagiri a commencé à examiner la rotation et la translation séparément plutôt que d’utiliser les coordonnées et les vitesses du site, qui sont des quantités standard produites par les codes de simulation biomoléculaire. D'ailleurs, formuler les équations de ces mouvements séparément était l'approche utilisée par les auteurs du tout premier article jamais écrit sur la simulation de l'eau en 1971. Ces auteurs recommandaient un pas de temps de 0,4 femtoseconde.

"Nous devons revenir au travail original en termes de prudence. Il n'y a rien de mal à faire des vitesses de site, mais si vous le faites en tant que vitesses de site, alors vous devez prendre un pas de temps suffisamment petit pour que les températures entre la traduction et la rotation sont les mêmes, en moyenne", a déclaré Asthagiri.

Les informaticiens peuvent facilement passer à des pas de temps de 0,5 femtoseconde, s'ils le souhaitent, même si cela entraînerait également des simulations plus courtes en raison de temps de calcul plus longs.

"C'est juste un indicateur dans le script d'entrée :2 à 0,5. C'est un changement très simple, mais maintenant le problème est que vous devez utiliser plus de temps de calcul, c'est tout. Mais la puissance de calcul est disponible maintenant", a déclaré Asthagiri.

Asthagiri a présenté les résultats de l'étude à des collègues du Telluride Science &Innovation Center et à la série de séminaires en ligne sur la thermodynamique statistique et les simulations moléculaires.

"Lorsque j'ai présenté mes travaux lors d'une série de séminaires en ligne sur la thermodynamique statistique, la première réaction a été un peu un choc. Il faudra du temps pour les comprendre", a déclaré Asthagiri.

Asthagiri présentera les résultats lors d'un autre atelier co-organisé par Beck pour le Centre Européen de Calcul Atomique et Moléculaire les 6 et 8 mai à Pise, en Italie.