Using Computer Simulations and Virtual Reality to Understand, Design and Optimize Artificial Water Channels

Utilisation des simulations informatiques et de la réalité virtuelle pour comprendre, concevoir et optimiser les canaux d'eau artificiels

Xavier Martinez (1) , Arthur Hardiagon (1) , Hubert Santuz (1) , Samuel Murail (2) , Mihail Barboiu (3) , Fabio Sterpone (1) , Marc Baaden (1)

1 LBT (UPR_9080) - Laboratoire de biochimie théorique [Paris]
2 BFA (UMR_8251 / U1133) - Unité de Biologie Fonctionnelle et Adaptative
3 IEM - Institut Européen des membranes

In biology, metabolite transport across cell membranes occurs through natural channels and pores. Artificial ion-channel architectures represent potential mimics of natural ionic conduction. Many such systems were produced leading to a remarkable set of alternative artificial ion-channels. Far less advances were achieved in the area of synthetic biomimetic water channels, even though they could improve our understanding of the natural function of protein channels and may provide new strategies to generate highly selective, advanced water purification systems. Most realizations have used the selectivity components of natural protein channels embedded in artificial systems. Such biomolecules provide building blocks to constitute highly selective membrane-spanning water transport architec-tures. The simplification of such compounds, while preserving the high conduction activity of natural macromolecules, lead to fully synthetic artificial biomimet-ic channels. These simplified systems offer a particular chance to understand mechanistic and structural behaviors, providing rationales to engineer better artificial water-channels. Here we focus on computer simulations as a tool to complement experiment in understanding the properties of such systems with the aim to rationalize important concepts, design and optimize better compounds. Molecular dynamics simulations combined with advanced visual scrutiny thereof are central to such an approach. Novel technologies such as virtual reality headsets and stere-oscopic large-scale display walls offer immersive collaborative insight into the complex mechanisms underlying artificial water channel function.

En biologie, le transport des métabolites à travers les membranes cellulaires se fait par les canaux naturels et les pores. Les architectures artificielles à canaux ioniques représentent des imitations potentielles de la conduction ionique naturelle. Beaucoup de ces systèmes ont été produits, ce qui a conduit à un ensemble remarquable de canaux ioniques artificiels alternatifs. Beaucoup moins d'avancées ont été réalisées dans le domaine des canaux d'eau biomimétiques synthétiques, même si elles pourraient améliorer notre compréhension de la fonction naturelle des canaux protéiques et peuvent fournir de nouvelles stratégies pour générer des systèmes de purification d'eau avancés et hautement sélectifs. La plupart des réalisations ont utilisé les composants de sélectivité des canaux protéiques naturels intégrés dans des systèmes artificiels. Ces biomolécules fournissent des éléments constitutifs pour constituer des architec-tures de transport d'eau à membrane hautement sélective. La simplification de ces composés, tout en préservant l'activité de conduction élevée des macromolécules naturelles, conduit à des canaux biomimétiques artificiels entièrement synthétiques. Ces systèmes simplifiés offrent une chance particulière de comprendre les comportements mécanistiques et structurels, offrant des justifications pour concevoir de meilleurs canaux d'eau artificiels. Ici, nous nous concentrons sur les simulations informatiques en tant qu'outil pour compléter l'expérience dans la compréhension des propriétés de ces systèmes dans le but de rationaliser les concepts importants, de concevoir et d'optimiser de meilleurs composés. Les simulations de dynamique moléculaire combinées à un examen visuel avancé de celles-ci sont au cœur d'une telle approche. De nouvelles technologies telles que des casques de réalité virtuelle et des murs d'affichage à grande échelle stéréoscopiques offrent un aperçu collaboratif immersif des mécanismes complexes qui sous-tendent la fonction de canal d'eau artificiel.

Domaines: Chimie théorique et/ou physique

Xavier Martinez, Arthur Hardiagon, Hubert Santuz, Samuel Murail, Mihail Barboiu, et al.. Using Computer Simulations and Virtual Reality to Understand, Design and Optimize Artificial Water Channels. Lecture Notes in Bioengineering / Advances in Bionanomaterials II Selected Papers from the 3rd International Conference on Bio and Nanomaterials, BIONAM 2019, September 29 – October 3, 2019, pp.78-99, 2020, ⟨10.1007/978-3-030-47705-9_8⟩. ⟨hal-02944941⟩