Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie du Canada
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Ancien lauréat
Bourse commémorative E.W.R. Steacie de 2009

Peter Tieleman

Biochimie

University of Calgary


Peter Tieleman
Peter Tieleman

Le laboratoire de Peter Tieleman à la University of Calgary ne ressemble pas du tout au laboratoire de biochimie typique. Dans ce laboratoire, il n’y a pas de flacons de produits chimiques, ni d’appareils de séquençage de l’ADN, ni de verrerie de laboratoire propre aux laboratoires, ni même le moindre becher. « La seule pièce de verrerie dans notre laboratoire, c’est la cafetière », plaisante le chercheur de 36 ans.

Mais pour mener ses recherches en biochimie dignes du XXIe siècle, M. Tieleman dispose d’une puissance de calcul pour le moins impressionnante. « Nous utilisons des ordinateurs très puissants pour calculer comment les molécules interagissent avec les membranes cellulaires. Ce faisant, nous pouvons prédire avec précision la façon dont les processus biochimiques se produisent dans les cellules, par exemple comment les nutriments sont transportés activement à travers la membrane d’une cellule », explique M. Tieleman, lauréat d’une Bourse commémorative E.W.R. Steacie du Conseil de recherches en sciences naturelles et en génie (CRSNG) de 2009.

Les travaux de recherche de M. Tieleman constituent le dernier volet d’un effort qui a commencé il y a plusieurs siècles. Ils visent à comprendre le fonctionnement des composants de base de la vie : les cellules. Il y a trois siècles et demi, le scientifique hollandais Antonie van Leeuwenhoek construisait l’un des premiers microscopes. Cet instrument lui a permis de découvrir la nature cellulaire de la vie. Il a donc aussi été le premier à voir des membranes cellulaires, l’organe qui définit l’intérieur de la cellule par rapport à l’extérieur.

Mais aujourd’hui, les biologistes veulent comprendre les membranes cellulaires au niveau moléculaire, au-delà même de la portée des microscopes optiques. À ce niveau, il faut se tourner vers les modèles informatiques pour nous éclairer sur les phénomènes cellulaires.

Au cours des dix dernières années, M. Tieleman, un Néerlandais d’origine qui s’est installé à Calgary en 2000, s’est employé à faire de ces modèles informatiques, ou simulations, une pièce maîtresse de la biophysique des membranes.

Ses recherches de pointe se situent à la jonction de la science des protéines et des techniques cinématographiques utilisées par Pixar, l’entreprise de films d’animation. Son équipe de recherche, qui compte actuellement dix personnes, utilise la même technologie de séquences d’images que les animateurs de Hollywood pour créer des simulations numériques des interactions membranes-molécules.

Ce qui différencie les superproductions hollywoodiennes et la recherche de M. Tieleman, c’est le niveau de détail. Là où les animateurs cinématographiques créent des effets visuels qui reproduisent la réalité, M. Tieleman et ses collègues créent des simulations informatiques d’une précision de l’ordre de l’atome. Ce niveau de précision à l’intersection de la biologie, de la chimie et de la physique peut amener les scientifiques à comprendre comment les membranes cellulaires contrôlent ce qui entre et ce qui sort de la cellule.

À titre d’étudiant diplômé de la University of Groningen, M. Tieleman a participé au développement de Gromacs, l’un des progiciels biomoléculaires les plus avancés du monde. Et il a continué à mettre au point des techniques informatiques de premier ordre pour la modélisation des membranes. « Il y a vingt ans, ces modèles étaient généraux, mais aujourd’hui ils sont suffisamment détaillés pour nous permettre de poser des questions très précises », explique-t-il.

Son équipe de recherche a récemment créé une simulation pour montrer comment les buckminsterfullerènes – des molécules de carbone qui ont la forme d’un ballon de soccer creux – traversent la membrane d’une cellule. C’est une question essentielle en vue de l’utilisation éventuelle des buckminsterfullerènes en nanotechnologie comme véhicules pour transporter des matières, par exemple des produits pharmaceutiques, à l’intérieur des cellules.

On utilise certains des ordinateurs les plus puissants du monde pour produire des dessins animés, et il en va de même pour les simulations scientifiques. M. Tieleman est l’un des chercheurs principaux de WestGrid, un consortium de calcul universitaire qui constitue l’une des ressources de calcul les plus puissantes au Canada. Son équipe de recherche possède également sa propre batterie d’ordinateurs dotés de 700 processeurs. Cette machine increvable est à l’œuvre jour et nuit, faisant tourner des simulations qui peuvent durer des mois, même en utilisant des centaines de processeurs. « Nous pourrions utiliser 5 000 processeurs si nous les avions », précise M. Tieleman.

Dans le cadre des travaux de recherche qu’il entreprendra grâce à la Bourse Steacie du CRSNG, il cherchera à déterminer la façon de tirer le meilleur parti possible des ressources informatiques limitées dont il dispose. Il y a inévitablement un compromis à faire entre le niveau de détail atomique et le temps nécessaire pour faire tourner une simulation. Plus le modèle est détaillé, plus il nécessite une grande puissance informatique. Pour contourner le problème, M. Tieleman s’emploie à mettre au point un modèle précis « à gros grain ».

« Pour ces simulations, nous groupons environ quatre atomes dans une même “bille”, explique-t-il. En observant les interactions moyennes de ces groupes d’atomes, nous créons un modèle moléculaire grossier. Même si nous perdons un peu de détails atomiques, nous pouvons quand même modéliser avec précision les protéines et les peptides, et c’est beaucoup moins exigeant en puissance informatique. »

M. Tieleman conclut ainsi : « Dans l’avenir, nous espérons que ces simulations nous aideront à comprendre le fondement moléculaire de nouveaux agents antimicrobiens, comment des protéines particulières interagissent avec les membranes cellulaires, et même à concevoir de nouveaux matériaux biocompatibles pour le génie biologique. »