Travaux de Recherche

Articles

Multi-scale Simulations of Biological Systems using the OPEP Coarse-grained Model

Fabio Sterpone, Sébastien Doutreligne, Thanh Thuy Tran, Simone Melchionna, Marc Baaden, Phuong H. Nguyen, and Philippe Derreumaux

Biomolecules are complex machines that are optimized by evolution to properly fulfill or con- tribute to a variety of biochemical tasks in the cellular environment. Computer simulations based on quantum mechanics and atomistic force fields have been proven to be a powerful microscope for obtaining valuable insights into many biological, physical, and chemical processes. Many interesting phenomena involve, however, a time scale and a number of degrees of freedom, notably if crowding is considered, that cannot be explored at an atomistic resolution. To bridge the gap between reality and simulation, many different advanced computational techniques and coarse-grained (CG) models have been developed. Here, we report some applications of the CG OPEP protein model to amyloid fibril formation, the response of catch bond proteins to two types of fluid flow, and interactive simulations to fold peptides with well-defined 3D structures or with intrinsic disorder.

Biochemical and Biophysical Research Communications
DOI: https://doi.org/10.1016/j.bbrc.2017.08.165

What can human-guided simulations bring to RNA folding?

L. Mazzanti, S. Doutreligne, C. Gageat, P. Derreumeaux, A. Taly, M. Baaden, S. Pasquali

Inspired by the recent success of scientific-discovery games for predicting protein tertiary and RNA secondary structures, we have developed an open software for coarse-grained RNA folding simulations, guided by human intuition. To determine the extent to which interactive simulations can accurately predict 3D RNA structures of increasing complexity and lengths (four RNAs with 22–47 nucleotides), an interactive experiment was conducted with 141 participants who had very little knowledge of nucleic acids systems and computer simulations, and had received only a brief description of the important forces stabilizing RNA structures. Their structures and full trajectories have been analyzed statistically and compared to standard replica exchange molecular dynamics simulations. Our analyses show that participants gain easily chemical intelligence to fold simple and nontrivial topologies, with little computer time, and this result opens the door for the use of human-guided simulations to RNA folding. Our experiment shows that interactive simulations have better chances of success when the user widely explores the conformational space. Interestingly, providing on-the-fly feedback of the root mean square deviation with respect to the experimental structure did not improve the quality of the proposed models.

Biophysical Journal
DOI: https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.05.047

UnityMol: Interactive and Ludic Visual Manipulation of Coarse-Grained RNA and other Biomolecules

Sébastien Doutreligne, Cédric Gageat, Tristan Cragnolini, Antoine Taly, Samuela Pasquali, Philippe Derreumaux, Marc Baaden

We present a general software architecture to carry out interactive molecular simulations in a game engine environment. Our implementation is based on the UnityMol framework and the HireRNA physics engine. With UnityMol, we pursue the goal to create an interactive virtual laboratory enabling researchers in biology to visualize biomolecular systems, run simulations and interact with physical models and data. Similarly, UnityMol enables game designers to build scientifically accurate molecular scenarios. We discuss four case studies, from simulation setup via immersive experiments, force-induced unfolding of RNA to teaching and collaborative research applications. Visual effects enrich the dynamic and immersive aspects. We combine an appealing visual feedback with a set of analysis features to extract information about properties of the fascinating biomolecular systems under study. Access to various input devices enables a natural interaction with the simulation.

2015 IEEE 1st International Workshop on Virtual and Augmented Reality for Molecular Science (VARMS@IEEEVR)
DOI: https://doi.org/10.1109/VARMS.2015.7151718

Présentations

6 avril 2017

Présentation de BioSpring réalisée en anglais dans le cadre d'un séminaire interne au Laboratoire de Biochimie Théorique, en coopération avec Anne-Elisabeth Molza.

1 septembre 2015

Présentation de UnityMol réalisée en anglais au département de chimie de l’université de Cambridge (UK). Septembre 2015.

28 novembre 2014

Présentation de UnityMol réalisée en français lors de Reims Image 2014 dans le cadre des 27es journées de l’Association Française d’Informatique Graphique (AFIG).

7 novembre 2014

Présentation de UnityMol réalisée en français lors de la Journée Visu 2014 du GT Visualisation, GDR IGRV.

Affiches

BioSpring

GGMM 2017

BioSpring est

  • un outil de simulation moléculaire multi-échelle
  • un simulateur de réseaux de ressorts augmentés
  • un outil modulaire pour étudier les propriétés mécaniques des biomolécules rapidement et interactivement

BioSpring

CPU vs. GPU

GGMM 2017

Les fabricants de puces à semiconducteurs se livrent un combat féroce: leurs produits sont toujours plus rapides, plus fins, plus optimisés. Les vitesses atteintes sont en effet impressionantes dans des applications telles que les simulations de dynamique moléculaire. Malgré leurs différences, CPUs et GPUs sont des puces microélectroniques complémentaires dont les technologies ont pu évoluer de façon distincte.

Exploration moléculaire du vivant avec un jeu vidéo basé sur UnityMol

Nous présentons UnityMol, une base logicielle pour développer des solutions de visualisation, analyse et exploration de données biologiques. Créé en 2009, une des originalités de UnityMol est son implémentation à travers un moteur de jeux vidéo. Nous connectons ce logiciel de visualisation à des simulations de dynamique moléculaire pour interagir directement avec les molécules que nous étudions. Cette manipulation apporte une nouvelle dimension très concrète et intuitive à l'exploration de la structure des biomolécules. Nous pouvons notamment observer et tester la résistance des liaisons dîtes hydrogènes formées lors du repliement de ces molécules.

UnityMol: Simulation et Visualisation Interactive à des fins d'Enseignement et de Recherche

Nous présentons UnityMol, une base logicielle pour dvelopper des solutions de visualisation, analyse et exploration de données biologiques. Une des originalités de UnityMol est son implémentation à travers un moteur de jeux vidéo. Nous venons de connecter ce logiciel de visualisation à des simulations de dynamique moléculaire pour interagir directement avec la molécule d'intérêt. Cette manipulation apporte une nouvelle dimension très concrète et intuitive à l'exploration de la structure des biomolécules.

Borne UnityMol/HiRE-RNA & DocMolecules

UnityMol est un prototype pour la visualisation moléculaire appliqué à la biologie. Développé depuis 2009 avec le moteur de jeux vidéo Unity3D, UnityMol inclut des représentations variées de molécules biologiques. UnityMol trouve aujourd’hui des applications aussi bien comme jeu scientifique qu’en tant qu'outil de recherche pour différents domaines de la biologie moléculaire.

Conçu pour une borne d’arcade munie d’un bras haptique permettant un ressenti tactile, DocMolecules est un jeu de construction moléculaire à l'échelle du vivant. En explorant le mode d'action d’un médicament fréquemment prescrit pour combattre les allergies, le joueur de DocMolecules s’initie à la visualisation et à la manipulation des molécules. DocMolecules est issu de la combinaison de UnityMol et BioSpring: un moteur physique de simulation d'abord conçu pour la recherche et repris ici pour amarrer les molécules entre elles et évaluer la pose du joueur.

UnityMol: Simulation et Visualisation Interactive à des fins d'Enseignement et de Recherche

Nous présentons UnityMol, une base logicielle pour développer des solutions de visualisation, analyse et exploration de données biologiques. Une des originalités de UnityMol est son implémentation à travers un moteur de jeux vidéo. Nous venons de connecter ce logiciel de visualisation à des simulations de dynamique moléculaire pour interagir directement avec la molécule d'intérêt. Cette manipulation apporte une nouvelle dimension très concrète et intuitive à l'exploration de la structure des biomolécules. Nous nous sommes inspirés des expériences de type AFM pour réaliser des manipulations virtuelles automatiques sur des molécules d'ARN. En mesurant la distance entre les extrémités d'une chaîne nucléotidique, nous sommes en mesure d'observer la résistance des liaisons hydrogènes formées lors du repliement de la structure.

UnityMol: la Biochimie à Portée de Tous

UnityMol est un prototype pour la visualisation moléculaire appliqué à la biologie. Développé depuis 2009 avec le moteur de jeux vidéo Unity3D, UnityMol inclut des représentations variées de molécules biologiques. UnityMol trouve aujourd’hui des applications aussi bien comme jeu scientifique qu’en tant d’outil de recherche pour différents domaines de la biologie moléculaire.

UnityMol: Interactive Scientific Visualization for Integrative Biology

Nowadays, an increasing number of structures of molecular assemblies is available in a variety of databases. With the advances in experimental structure determinations, the size of these assemblies keeps expanding. Descriptive data from various measurements is abundant. Studying and exploring the high-dimensional set of properties of such huge structures is part of today’s challenges to modern biology. We intend to transform UnityMol in a tool for both visualization and analysis of such data sets.