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Epistémologie, modélisation et simulation en chimie computationnelle

Posted by Hervé Moine sur 23 avril 2010

29 avril 2010

Pratiques de modélisation et de simulation en chimie computationnelle des protéines (1960-1980)

Eléments historiques et épistémologiques

par Frédéric Wieber

Archives Henri Poincaré

Université Nancy 2

« Au cours de mon intervention, j’examinerai certaines pratiques de modélisation et de simulation ayant été développées en chimie des protéines dans les années 1960-70. Dans ce champ de recherche, certains chimistes théoriciens tentent de comprendre les objets protéiques en construisant des modèles de leurs structures et en simulant leurs propriétés dynamiques. Le type de modèles qu’ils construisent et la nécessité de réaliser des simulations sont liés à la complexité moléculaire des protéines. Cette complexité conduit à deux types principaux de difficulté en chimie des protéines. D’une part, des problèmes expérimentaux se manifestent lorsque les scientifiques veulent utiliser, en les adaptant aux objets protéiques, un certain nombre de techniques physiques (cristallographie aux rayons, RMN, diffusion des neutrons…), et lorsqu’ils essaient d’interpréter les données expérimentales ainsi produites. D’autre part, des problèmes théoriques de complexité computationnelle se manifestent lorsque l’on essaie d’appliquer la mécanique quantique à ces objets trop conséquents. Si le premier type de difficulté a, d’un point de vue historique, conduit au développement d’approches théoriques (afin d’affiner les données empiriques et de permettre un accès à certaines propriétés des protéines très difficiles à obtenir expérimentalement), le second type de difficultés, que l’on retrouve, à l’époque, dans de nombreux autres domaines de la chimie, a pour sa part conduit les spécialistes des protéines à développer un type particulier de modèles, dits « modèles empiriques » (par opposition aux « calculs ab initio »). Afin de réussir à construire ces modèles, et à étendre leur champ d’utilisation, ces spécialistes utilisèrent de façon massive, à partir de 1960, des ordinateurs. Dans les années 1970, ces modèles informatisés furent employés dans le cadre d’une méthode de simulation élaborée précédemment en physique statistique (méthode dite de dynamique moléculaire). Ceci permit alors aux scientifiques d’accéder aux propriétés dynamiques des protéines, ce qui n’était pas possible d’un point de vue expérimental. Un changement dans la façon de concevoir ces objets macromoléculaires a ainsi été opéré. L’ordinateur, en tant qu’instrument technologique ayant un fonctionnement particulier et des capacités de calcul limitées, a influé de façon importante sur la forme des modèles ayant été construits ainsi que sur la façon dont la méthode de simulation de dynamique moléculaire a été appliquée au cas des protéines.

Après avoir rappelé en quoi ces pratiques de modélisation et de simulation étaient liées, à l’époque, à une partie de l’agenda classique de la biologie moléculaire (affinement des structures tridimensionnelles obtenues par cristallographie aux rayons X, problème du repliement des protéines), je me propose de discuter du statut et de la nature des modèles ayant été construits, en soulignant le travail d’assemblage et d’estimation de données empiriques que cette activité de modélisation nécessite. J’examinerai ensuite comment la méthode de simulation de dynamique moléculaire a été adaptée aux protéines, en précisant notamment comment plusieurs types de contraintes (précision souhaitée du modèle simulé, expression théorique employable, algorithmes efficaces et utilisables, puissance de calcul disponible en pratique), et leur ajustement réciproque, ont dû être prises en compte. Afin de réaliser cette adaptation, des spécialistes de cette méthode de simulation (provenant du champ de la physique statistique) ont collaboré avec des spécialistes de chimie des protéines, notamment, en Europe, dans le cadre d’une institution particulière, le CECAM. Je montrerai ici en quoi la question de l’accessibilité des ordinateurs a conduit à cette collaboration effective. Pour conclure, je discuterai de l’importance de la nature computationnelle de ces outils de modélisation et simulation dans l’histoire de ces pratiques. »

Frédéric Wieber

  • Lieu : Salle E21, 1er cycle, Faculté des Sciences, Université Henri Poincaré-Nancy 1, Vandoeuvre-les-Nancy
  • L’IREM, le « groupe M » et les Archives Henri Poincaré organisent à la Faculté des Sciences de l’Université Henri Poincaré un séminaire « transversal » consacré aux sciences et à la philosophie des sciences. Le séminaire a lieu les Jeudi après-midi, de 14h à 16h en Faculté des Sciences et Techniques, Université Henri Poincaré, Vandoeuvre-les-Nancy. Il est complété par des séances en groupe de travail. http://poincare.univ-nancy2.fr/Activites/?contentId=4357
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