De chez vous, combattez le SARS-CoV-2 en analysant sa structure

600 ordinateurs mobilisés pendant le confinement à l'Université de Rennes 1 ont participé à un effort de calcul global, afin de comprendre la structure moléculaire du coronavirus SARS-CoV-2. Objectifs : trouver une faille pour l'inactiver, ou pour le désigner comme cible à notre système immunitaire. Vous avez envie de participer ? Rien de plus simple : installez chez vous, ou au bureau avec l'accord de votre employeur, un logiciel qui utilisera les ressources libres de votre ordinateur pour effectuer ces calculs.

Economiseur d'écran du projet Folding@Home - Wikimedia Commons
  1. Des milliards de calculs...
  2. ... pour quels objectifs ?
  3. Comment participer ?

Confinement et protocole sanitaire obligent, les salles d'informatique et de travaux dirigés de l'Université de Rennes 1 se sont vidées de leur étudiants, laissant des centaines de machines à l'arrêt. Devant l'urgence de la pandémie de coronavirus SARS-CoV-2, des enseignants-chercheurs ont eu l'idée de mobiliser ces ordinateurs pour les faire contribuer à l'un des projets de calcul distribué qui vise à mieux comprendre la structure, la forme et la fonction des protéines. L'objectif est de mettre au point des molécules capables de perturber les protéines du coronavirus, ou encore de faciliter sa reconnaissance et sa destruction par notre système immunitaire, dès les premiers stades de l'infection.

Après avoir reçu l'aval de la gouvernance et l'appui de la direction du système d'information (pour l'audit de sécurité et le déploiement notamment), les enseignants-chercheurs ont enrôlé 600 machines de l'Université de Rennes 1 dans le programme Folding@Home. L'établissement a ainsi figuré dans le top 6 000 des contributeurs mondiaux au projet (top 50 francophone).
 

Certificat de participation à Folding@Home

Folding@Home a été choisi pour des raisons de configuration matérielle des ordinateurs disponibles. Le projet Rosetta@Home présente, lui, l'avantage de partager ses résultats plus largement avec la communauté scientifique mondiale.

À l'Université de Rennes 1, les ordinateurs impliqués ont été stoppés pendant les congés d'été. En effet, allumer des postes de travail uniquement pour effectuer ce genre de calcul présente un coût environnemental important en matière de consommation d'énergie. L'opération était motivée par l'urgence de faire progresser la recherche sur le SARS-CoV-2. Mais sur le long terme, ces projets de calcul distribué sont conçus pour utiliser la marge de calcul disponible sur les processeurs d'ordinateurs en utilisation, ou en période de veille courte. Les ordinateurs dédiés à la CAO ou au jeu vidéo sont particulièrement puissants, car les calculs en question sont effectués plus rapidement sur le processeur des cartes graphiques installées.

Vous souhaitez participer ? Retrouvez les liens vers le téléchargement des logiciels en fin de cet article.
 

Responsable de la contribution Folding@Home à l'Université de Rennes 1 :
Olivier Wong-Hee-Kam, enseignant en informatique à l'IUT de Rennes, chargé de mission pour les projets numériques
Spécialiste en modélisation moléculaire :
Emmanuel Giudice, maître de conférences en bioinformatique, membre de l'Institut de génétique et développement de Rennes

Des milliards de calculs...

Une molécule est composée d'atomes liés entre eux, dont certains jouent un rôle grossièrement comparable à celui d'une articulation pour la molécule. Les protéines indispensables à la vie des organismes sont des biomolécules complexes. Une protéine peut se plier et replier en divers points selon une immense variété de combinaisons.  Celle-ci dépend du nombre d'atomes qui la constituent, de l'emplacement des articulations, de la valeur des angles de repliement possibles et de leur direction, entre autres. Or la fonction d'une protéine est dictée par sa forme, commandée par sa structure. De plus, une protéine est si microscopique que les molécules d'eau qui l'environnent la bousculent en permanence, influençant sa dynamique.

Pour comprendre les liens entre structure, forme et fonction pour une protéine, ce sont au minimum des centaines de milliers, voire des millions d'atomes dont il faut calculer la position et l'évolution à chaque instant du processus de repliement. En effet, pour obtenir une bonne précision, ces calculs portent aussi bien sur les atomes de la protéine que sur ceux de son environnement immédiat, les molécules d'eau de son environnement par exemple.

De plus, chaque étape de calcul ne permet de situer la position de chacun de ces atomes qu'à l'échelle de la femtoseconde (un billiardième de seconde). Le repliement d'une protéine s'étend sur une période de l'ordre de la microseconde (un millionième de seconde). Ce sont donc un milliard d'étapes qu'il faut calculer pour simuler un seul repliement de protéine... sachant que toutes les formes possibles pour une même protéine n'ont pas les mêmes conséquences en termes de fonction. Enfin, la protéine change de forme lors de son interaction avec la cellule, à l'instar d'une véritable machine moléculaire jouant le rôle d'un moteur, d'une pompe, etc.

... pour quels objectifs ?

Pourquoi se lancer dans l'entreprise si difficile de la modélisation des protéines ? Tout simplement parce que connaître la structure et les contraintes de repliement d'une protéine ouvrent la possibilité d'agir sur celle-ci, ou sur ses cibles dans la cellule. Le processus permet ainsi la conception de nouvelles protéines à visée thérapeutique.

Dans le cas du SARS-CoV-2, les pointes qui hérissent le coronavirus sont constituées d'une protéine baptisée "S" (spike = pointe en anglais). C'est elle qui permet au virus de de pénétrer les cellules de son hôte et, après un changement de forme, de fusionner avec celles-ci. Selon une première approche, la simulation sur ordinateur vise à créer des molécules capables de s'attaquer à la protéine S pour l'inactiver : c'est la recherche d'un médicament antiviral. Une autre grande piste explorée consiste à modifier ou reproduire certaines parties de l'enveloppe virale pour les rendre détectables sous une forme inoffensive par notre système immunitaire, et ainsi préparer un vaccin.

Pour espérer obtenir une avancée significative des connaissances sur la structure du SARS-CoV-2, on a donc compris qu'il faut réaliser un nombre colossal de calculs, avec l'urgence que la situation pandémique semble commander.

Comment participer ?

C'est ainsi que des projets comme Rosetta@Home, Folding@Home ou Fold.it interviennent. Ils font appel au volontariat du public. En installant leur logiciel gratuit sur son ordinateur personnel, il devient possible de participer aux efforts de calcul mondiaux. Les deux premiers projets proposent du calcul automatisé (le logiciel télécharge des tâches qui sont exécutées sur l'ordinateur local ; celui-ci renvoie le résultat aux serveurs des scientifiques une fois les calculs terminés). Le dernier projet, Fold.it, consiste en un jeu où l'on expérimente en construisant et en modifiant soi-même la structure des protéines, afin de trouver des configurations optimales.

La participation du public à ces programmes, qui existaient bien avant l'épidémie de Covid-19, a déjà donné lieu à de nombreuses publications scientifiques. L'application de ces outils à l'étude du coronavirus SARS-CoV-2 donne des résultats qui pourraient faciliter la mise au point de traitements.

Pour enrôler votre ordinateur dans l'un de ces programmes, rendez-vous sur leurs sites respectifs et laissez-vous guider :