A Semi-Implicit Solvation Model for the Simulation of Biological Macromolecules
Un Modèle de Solvatation Semi-Implicite pour la Simulation des Macromolécules Biologiques
Résumé
In the cell of the living organisms, the solvent (water) plays an important part in the stabilization of the tridimensional structures of biological macromolecules and in their interactions. Theoretical methods like molecular modeling simulations can complete the partial informations on biomolecules hydration provided by experimental methods. We have developed a new semi-implicit solvation model to represent solvent in molecular modeling of biological macromolecules. Our model considers the solvent as microscopic particles with dielectric properties based on macroscopic electrostatic equations. The resulting solvent is a fluid composed, at electrostatic equilibrium, by non polar Lennard-Jones particles, polarizable by the electric field created by the solute. This model can describe the molecular details of solvent and can also easily calculate the electrostatic solvation free energy of the system. It is also numerically very efficient compared with explicit models. We have implemented our model in a molecular dynamics code, parameterized it in a simple way and applied it to the dynamics of several peptides, proteins and nucleic acids (DNA and transfer RNA). The trajectories of these dynamics are stable over one or two nanoseconds, and their structural properties are in very good agreement with experimental results, and with simulations using explicit methods. Our model allows also to find the preferential hydration sites of the molecules identified by experimental or theoretical studies, in spite of the absence of hydrogen bonds in our solvent. Moreover, correlations between the electrostatic solvation free energies calculated with our method and those from the Poisson-Boltzmann resolution methods are quite good, and thus provide very encouraging results.
Dans la cellule des organismes vivants, le solvant (l'eau) joue un rôle très important dans la stabilisation des structures tridimensionnelles des macromolécules biologiques et lors de leurs interactions. Les méthodes théoriques de simulations de modélisation moléculaire permettent de compléter les informations partielles sur l'hydratation des biomolécules obtenues par les méthodes expérimentales. Nous avons développé un nouveau modèle de solvatation semi-implicite pour représenter le solvant en modélisation moléculaire. Ce modèle décrit le solvant comme des particules microscopiques dont les propriétés diélectriques découlent des lois macroscopiques de l'électrostatique. Nous obtenons ainsi à l'équilibre électrostatique un fluide de particules de Lennard-Jones non polaires, polarisables par le champ électrique créé par le soluté. Ce modèle a l'intérêt de prendre en compte la structure moléculaire du solvant tout en calculant efficacement l'énergie libre électrostatique de solvatation du système. De plus, il est d'un faible coût numérique comparé aux méthodes explicites. Après avoir implémenté notre modèle dans un programme de dynamique moléculaire et l'avoir paramétré de façon simple, nous l'avons appliqué à plusieurs peptides, protéines et acides nucléiques (ADN et ARN de transfert). Les trajectoires de ces simulations sont stables sur une à deux nanosecondes, et les structures obtenues sont tout à fait en accord avec les méthodes expérimentales et les méthodes théoriques de solvatation explicites. Notre modèle permet également de retrouver les sites préférentiels d'hydratation des molécules étudiées identifiés expérimentalement ou théoriquement, malgré l'absence de liaisons hydrogène dans notre solvant. De plus, nous observons de bonnes corrélations entre les énergies libres électrostatiques de solvatation calculées avec notre modèle et celles calculées avec les méthodes de résolution de l'équation de Poisson-Boltzmann, et ces résultats paraissent très encourageants.