Le transfert d'hydrogène dans les grands systèmes

L'étude expérimentale des réactions de transfert d'hydrogène est difficile car les réactions se produisent en un temps ultra-rapide, de l'ordre de quelques femtosecondes, et les systèmes enzymatiques sont trop grands pour obtenir des fréquences précises. Les décrire de façon théorique dans de grands systèmes tels que des enzymes présente un défi en raison de la dynamique quantique du proton.

Obtenir des algorithmes de calcul précis nécessite un équilibre entre la prise en compte des effets quantiques forts dans un certain degré de liberté et des effets quantiques faibles dans le grand système au sens large. Les scientifiques viennent de mettre au point une telle méthode dans le cadre du soutien de l'UE au projet VASPT2 («VASPT2: A method for targeted quantum dynamics of hydrogen transfer reactions»).

Les chercheurs ont divisé le système en régions actives (petites et locales) et régions de bain (grandes et globales). L'équipe a ensuite appliqué une approche à forte intensité de calcul aux régions actives et traité le reste du système, en procédant à un couplage entre les deux régions au moyen d'une approche du champ moyen. Cette dernière cible une particule ou entité et remplace toutes les interactions par les autres entités ayant une interaction moyenne. La nouvelle méthode a été appliquée à l'acide formique, un prototype de système ayant des corrélations faibles et fortes. Les prévisions théoriques des fonctions d'ondes vibratoires (bandes spectrales fondamentales) se sont révélées correspondre parfaitement bien aux valeurs expérimentales.

L'équipe a également développé une méthode pour décrire les surfaces d'énergie potentielle semi-globales liées aux réactions du transfert d'hydrogène. Là aussi, il existe un écart entre la charge de calcul et le besoin de décrire la dynamique quantique. Les membres du projet VASPT2 ont utilisé une nouvelle approche de régression linéaire pour l'adapter à la surface d'énergie potentielle semi-globale qui minimise l'ajustement («overfitting») sans créer de trous ayant une signification physique.

Intégré à un nouveau programme sur la dynamique quantique et appelé DYNAMOL, le nouveau cadre fournit des descriptions informatiquement efficaces et précises des réactions du transfert d'hydrogène. Elles devraient contribuer à répondre à l'une des questions en suspens parmi les plus cruciales en biochimie, à savoir si oui ou non les effets quantiques sont importants pour les réactions enzymatiques. Le projet VASPT2 a ainsi apporté une contribution appréciable à la conception d'un catalyseur amélioré qui a de l'importance pour nombre de réactions à caractère industriel.