Projet ANR-12-BSV5-0009 – FSCF : Fluctuations dans les liquides Coulombiens structurés
Programme : Blanc - SVSE 5 - Physique, chimie du vivant et innovations biotechnologiques (Blanc SVSE 5)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Ralf BLOSSEY (Institut de Recherche Interdisciplinaire)
Partenaires : Laboratoire public; Institut de Physique Théorique; Institut de Recherche Interdisciplinaire; Laboratoire de Physique de l'Ens de Lyon; Laboratoire Gulliver
Montant : 382591.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Fluctuations dans les Liquides Coulombiens StructurésModéliser et calculer correctement et d'une manière efficace les propriétés physiques de l'eau autour des molécules chargées. A ce jour, beaucoup de calculs approximatifs et peu contrôlés sont appliqués au problème posé. Notre objectif est de clarifier la base théorique de ce problème et de fournir un logiciel qui sera efficace et utile pour des applications en biologie. Ces méthodes sont, entre outre, important pour la prédiction de nouveaux médicaments.
Modèles et calculsL'enjeu est la formulation d'une approche théorique de l'électrostatique des médias polarisés et le développement d'un logiciel performant pour l'application du/des modèle(s) théorique(s) aux systèmes de la matière molle et de la biologie.
Fonctionnels convexes - calculs parallèlesLa base méthodique du projet est la combinaison des expertises des partenaires sur le plan théorique et calculs. Pour le développement des théories continues de l'électrostatique de l'eau - liquide fortement polarisable - il est important d'inclure à la fois la structure de l'eau (l'orientation de molécules) et les fluctuations spatiales. Les deux aspects sont plus facilement traités numériquement sur la base de fonctionnels des champs électrostatiques convexes.
Résumé de la soumission : L'objectif du projet est la modélisation théorique des effets de fluctuations dans les liquids Coulombiens structurés (SCF) et le développement des moyens de calcul pour l'application de ces modèles implicites du solvant aux systèmes biologiques.Les liquids Coulombiens structurés sont composés des ions solvatés, des molécules chargées comme l'ADN, des protéines et leurs complexes, ou des structures encore plus larges comme des membranes. Comme ces système biologiques portent souvent des charges élevés, les fluctuations du potentiel ou du champ électrique ainsi que la structure du média polarisable autour de ces structures, de l'eau, sont à traiter proprement pour une description adéquate.    Dans la première partie du projet nous allons développer une extension d'une théorie Poisson-Boltzmann généralisée établie pour les SCF pour traiter les fluctuations du potentiel électrostatique. La deuxième partie du projet sera dédiée au développement d'une théorie Poisson-Boltzmann pour les SCFen employant un fonctionnel contraint à base du champ électrique. Ce fonctionnel a, grâce à sa convexité, des grands avantages pour l'application aux système biologiques larges.
Résultats : ESPCI poursuivit l'aspect de convexité de fonctionnels Poisson-Boltzmann. Actuellement, la méthode établie est testée sur un problème simple, un électrolyte confiné. La deuxième piste est l'intégration de notre méthode dans le logiciel AQUASOL. La troisième piste concerne l'inclusion des effets de fluctuations dans AQUASOL, qui vont dépendre des effets de charges miroirs et de l'énergie de Born. 
L'équipe Lilloise travaille sur deux lignes: la première concerne la formulation d'une théorie cohérente incluant les effets nonlocaux et nonlinéaires, la deuxième la validation du modèle via une comparaison avec les calculs numériques MD. L'interaction sur le dernier point avec l'équipe lyonnaise est planifiée.
L'equipe Saclay collabore avec l'ESPCI sur le traitement de fluctuations; autrement, un calcul est en cours d'une théorie SCF d'un polyélectrolyte chargé et confiné dans une sphère: ceci est un modèle d'une molécule d'ADN ou d'ARN dans un capside virale.
Perspectives : L'impact sera potentiellement large, car la méthode sera applicable aux nombreux systèmes en biologie, chimie et la matière molle.
Publications et brevets : L’équipe de l’ESPCI vient de publier deux articles sur les fonctionnels convexes :
Legendre transforms for electrostatic energies, Justine S. Pujos, A.C. Maggs CECAM workshop: New Challenges in Electrostatics of Soft and Disordered Matter- in press.
A Minimizing principle for the Poisson-Boltzmann equation,  A. C. Maggs 2012 EPL 98 16012.
L’équipe de l’IRI est en train de préparer une publication sur la prédiction du positionnement des molécules d’eau à interface de deux protéines avec des méthodes MD, résultats à tester et comparer avec la méthodologie développé au projet :
Blind Prediction of Interfacial Water Positions in CAPRI, Marc F. Lensink et al, in preparation (2013)
Equipe Lyon, publication en préparation (2013) :
Temperature dependence of the DNA double helix at the nanoscale: structure, elasticity and fluctuations
Sam Meyer, Daniel Jost, Nikos Theodorakopoulos, Michel Peyrard, Richard Lavery and Ralf Everaers