Ancienne lauréate
Prix d'études supérieures André-Hamer du CRSNG de 2006

Erin Johnson

Au niveau du doctorat

Dalhousie University

Les modèles de simulation informatisés font maintenant partie intégrante de la trousse d'outils de tout chimiste. Même s'ils constituent un moyen peu coûteux permettant aux chercheurs de prévoir les propriétés chimiques d'un système avant même de l'étudier en laboratoire, il reste beaucoup à faire encore avant que les techniques existantes ne produisent des résultats exacts à tout coup.

Les travaux de recherche effectués dans le cadre du projet de doctorat de la chimiste informaticienne Erin Johnson, lauréate d'un Prix d'études supérieures André-Hamer du CRSNG, visent principalement à accroître la précision et l'efficacité des méthodes de modélisation en améliorant les méthodes existantes et en en concevant de nouvelles.

Il y a une vingtaine d'années, de nombreux chimistes faisaient peu de cas des méthodes de simulation, les jugeant peu utiles. « Avant les années 1990, il fallait beaucoup de temps pour traiter ne serait-ce qu'une molécule d'intérêt, et les méthodes étaient si approximatives qu'on ne pouvait faire aucune prévision quantitative », explique M^me Johnson.

Même aujourd'hui, les interactions chimiques dans les systèmes comportant plus que quelques atomes sont trop complexes pour être calculées exactement par un ordinateur, aussi puissant soit-il. Les modèles informatisés fonctionnent donc par approximation. Plus la méthode de modélisation est bonne, plus l'approximation s'approche de la réalité. « Nous espérons développer une nouvelle méthode qui nous permettra de calculer avec plus de précision que ce que permettent les méthodes actuelles, afin de mieux décrire les relations chimiques », ajoute M^me Johnson.

Elle utilise principalement les méthodes fondées sur la théorie fonctionnelle de la densité (TFD), qui permettent d'établir un modèle de la densité électronique d'une substance. Les méthodes fondées sur la TFD utilisent une puissance informatique moindre que les méthodes de simulation précédentes, mais manquent de précision dans certains cas. Les recherches doctorales d'Erin Johnson visent à élaborer une approche fondée sur la TFD qui donne des résultats précis dans des systèmes caractérisés par des interactions de dispersion (en d'autres mots, par une interaction faible entre les molécules).

Si les résultats sont probants, on pourrait élargir la gamme des mécanismes chimiques modélisables par la méthode fondée sur la TFD, ce qui représenterait une percée majeure dans ce domaine. La reconnaissance ultime pour toute nouvelle méthode est d'être incorporée dans les grands progiciels commerciaux de chimie computationnelle, comme Gaussian, un logiciel très populaire.

Les méthodes mises au point par Erin Johnson et son directeur de thèse, le chimiste informaticien de réputation internationale Axel Becke, offrent des possibilités d'utilisation dans presque tous les procédés chimiques, y compris la conception de médicaments, la mise au point de revêtements pour les moteurs et plus encore. À mesure que les méthodes s'améliorent et que la technologie informatique progresse, les possibilités s'accroissent. « Si on parvient à mettre au point des méthodes suffisamment rapides, on pourrait alors commencer à modéliser les protéines, même si elles sont très grosses », affirme M^me Johnson.

Même avec la popularité croissante et le raffinement accru des méthodes de simulation, les laboratoires ne sont pas près de disparaître. Les deux sont en fait complémentaires. « L'idéal serait d'en arriver au point où, avant d'étudier une réaction en laboratoire, on la modéliserait sur une base théorique pour vérifier si cela fonctionnera. C'est là toute la méthode scientifique : utiliser la théorie pour prévoir les résultats d'une expérience, et utiliser l'expérience pour tester la théorie », indique M^me Johnson.