Jean Zay, un supercalculateur au service de la recherche médicale française

Marc Baaden

Paris, le samedi 8 février 2019 - Chaque seconde, Jean Zay réalise 16 millions de milliards d’opérations. Portant le nom du célèbre ministre de l’éducation et des beaux-arts, co-fondateur du CNRS en 1939, ce nouveau supercalculateur, installé à l’IDRIS* de Saclay, est l’un des plus puissants d’Europe. Accélérateur de la recherche, il sera le premier en France à faire converger les mondes du calcul intensif et de l’intelligence artificielle, permettant aux chercheurs de réaliser leurs simulations numériques devenues indispensables dans les domaines de la santé et de la biologie. Marc Baaden, directeur de recherche au Laboratoire de biochimie théorique du CNRS nous explique l’apport du calcul haute performance pour ses travaux dans le domaine de la caractérisation des protéines membranaires.

JIM.fr : En quoi le supercalculateur Jean-Zay apporte-t-il une réelle évolution dans la recherche médicale ?

Marc Baaden : Dans le domaine médical, cette puissance de calcul est intéressante car nous rentrons de plus en plus dans le détail moléculaire des pathologies et dans l’histoire personnelle de celles-ci en termes de mutations génétiques. Pour un patient donné, nous allons pouvoir explorer sur ordinateur spécifiquement sa condition. L’enjeu des années à venir est la médecine de précision notamment au niveau de la conception des dosages de médicaments adaptés aux profils de patients. Plus notre compréhension avance grâce aux calculs et plus la personnalisation et le traitement des patients vont s’améliorer.

JIM.fr : Votre domaine de recherche est la modélisation moléculaire. Pouvez-vous nous expliquer les enjeux de cette discipline.

Marc Baaden : Nous retraçons le comportement de molécules complexes qui sont à l’origine de pathologies et remontons aux mécanismes qui vont donner des pistes de traitements. Le calcul intensif nous permet de modéliser la structure tridimensionnelle de ces molécules et d’étudier leur changement de formes et leurs mouvements. Ce sont des aspects essentiels car ces deux propriétés vont précisément conditionner le rôle qu’une molécule va jouer dans une pathologie. C’est par exemple le principe de clé-serrure : certains médicaments vont agir comme une clé en débloquant des mécanismes bénéfiques pour la guérison. Nous intervenons à ce niveau pour disséquer ces clés et ces serrures.

Pourquoi la grippe frappe-t-elle en hiver ?

JIM.fr : Vous avez modélisé la structure moléculaire tridimensionnelle du virus de la grippe afin d’étudier les variations saisonnières dans sa virulence. Qu’avez-vous découvert ?

Marc Baaden : Nous voulons comprendre pourquoi le virus de la grippe est plus efficace pour nous infecter quand il fait froid. C’est évident en observation mais nous n’avons pas d’explication concernant le phénomène d’augmentation de cette réceptivité en lien avec la température. Ainsi, nous regardons comment se comporte le virus de la grippe à différentes températures. Concernant l’affection, c’est principalement l’enveloppe du virus qui est un élément clé et notamment l’agencement des protéines et des lipides qui se trouvent sur cette enveloppe. Et nous avons vu des différences de comportements de cette partie-là en fonction de différentes températures. Chaque température engendre une agrégation de différents composants. La réorganisation des protéines joue directement sur l’affection car elles vont être acteurs de la fusion de la membrane du virus avec la membrane de la cellule hôte et donc la manière dont elles s’agencent va avoir son importance dans l’efficacité de cette procédure. Mais avec notre modèle comportant 60 millions d’atomes, ce qui est un gros système, nous avons été limités dans cette étude en termes de puissance de calcul. Avec Jean-Zay, nous allons pouvoir poursuivre nos travaux afin d’aller plus loin.

JIM.fr : Avez-vous d’autres projets de recherche concernant les virus ?

Marc Baaden : Nous avons un projet pour essayer d’attaquer les virus différemment sur la base de leur stabilité mécanique. Les coques des virus qui les protègent ont une certaine résistance mécanique mais il suffit parfois de les perturber un petit peu pour les déstabiliser. C’est une piste que nous souhaiterions explorer si nous obtenons des financements.

JIM.fr : Vous modélisez également les récepteurs membranaires présents dans le cerveau humain. Pouvez-vous revenir pour nous sur vos récents travaux concernant la compréhension des mécanismes des anesthésiques ?

Marc Baaden : Dans le cerveau, les signaux passent par des courants électriques ou par des courants portés par des molécules notamment des ions chargés. Les canaux ioniques sont une classe de récepteurs membranaires particulièrement importants. Nous nous sommes intéressés à plusieurs de ces récepteurs afin de comprendre au niveau moléculaire comment agit l’anesthésique.

Mieux comprendre pour développer de nouveaux traitements

Dans la littérature, un débat existe depuis longtemps et n’est pas complétement tranché. D’un côté, certains pensent que les anesthésiques attaquent ces récepteurs là et vont modifier la manière dont ces récepteurs régulent le passage des ions. Et d’autres pensent que les anesthésiques, par leur dissolution dans les membranes, en altèrent les propriétés, leur fluidité notamment, contribuant ainsi à l’anesthésie. Nous avons commencé à examiner sur ordinateur ces deux possibilités. Ces récepteurs doivent être simulés dans l’environnement de la membrane ce qui représente des systèmes assez grands en termes de nombre d’atomes. Jean-Zay nous permettra d’avoir cette grande puissance de calcul.

JIM.fr : Est-ce une première étape vers la conception de nouveaux composés plus spécifiques et présentant moins d’effets indésirables ?

Marc Baaden : Effectivement, quand nous aurons compris ce mécanisme, nous essaierons de sélectionner les molécules anesthésiantes présentant le moins d’effets indésirables. C’est à dire les molécules qui agiront sur le type de récepteur souhaité mais qui n’affecteront pas les autres.  Avec Jean-Zay, nous ferons des simulations pour trouver les molécules les plus spécifiques possibles par rapport aux récepteurs canaux ciblés.

JIM.fr : Avec les supercalculateurs, les chercheurs vont devoir faire face à des masses de données de plus en plus importantes. L’intelligence artificielle va-t-elle vous y aider ?

Marc Baaden : De nouveaux défis vont se présenter dans notre façon de travailler. Nous devrons développer de nouvelles méthodes de simplification, d’analyse et de fouille de données. Toute la chaine d’outils doit être repensée afin de nous guider vers les éléments clés d’une simulation, ne pas passer à côté de phénomènes importants et dévoiler des schémas cachés qui ne sont pas évidents à déceler. L’intelligence artificielle va nous y aider en faisant une sorte de prétraitement des données. Elle pourra scruter ce qui s’y passe et identifier par exemple si quelque chose est anormal à un endroit précis. L’IA donnera du sens à toutes ces informations.

*IDRIS : Institut du développement et des ressources en informatique scientifique du CNRS

Propos recueillis par Alexandra Verbecq

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