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L’œuf ou la poule ? Le calcul intensif aide les chercheurs

Jean-François Preveraud
L’œuf ou la poule ? Le calcul intensif aide les chercheurs

Simuler la cristalisation de la coquille d'oeuf.

© DR

Pour répondre à cette question cruciale des chercheurs anglais ont utilisé des outils de calcul intensif. Cela leur a permis de mieux comprendre les modes de cristallisation de la coquille d’oeuf. Des recherches qui pourraient trouver des débouchés industriels.

Les chercheurs de l’Université de Warwick et de l’Université de Sheffield ont utilisé le super calculateur national du Royaume-Uni, HECToR et les logiciels du Numerical Algorithms Group (NAG), pour étudier ce problème fondamental pour l’origine de la vie.

Enfin, ils ont étudié la formation de la coquille d’œuf. Et les résultats qu’ils ont obtenus peuvent être interprétés comme une réponse partielle à la bonne vieille question “Qui de l’œuf ou de la poule est venu en premier ?”. La réponse semble être la poule, du moins pour une protéine en particulier…

Les chercheurs se doutaient que la protéine ovocledidin-17 (OC-17) présente dans la coquille de l’œuf, devait jouer un rôle important dans sa formation. Cette protéine peut être trouvée uniquement dans la région minérale de l’œuf (la partie dure de la coquille) et les résultats en laboratoire ont montré son influence sur la transformation du carbonate de calcium en cristaux de calcite. Restait à découvrir comment ce procédé conduit à la formation d’une coquille d’œuf.

Pour résoudre ce problème, Mark Rodger et David Quigley du Département de Physique et de Calcul Scientifique de l’Université de Warwick, en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Sheffield, ont utilisé des outils de simulation de la dynamique moléculaire et le super calculateur HECToR, un Cray XT4 de 12 000 cœurs. Les chercheurs ont créé un modèle pour montrer comment la protéine était liée à une surface de carbonate de calcium. Malheureusement, les performances lors des premières simulations, rendaient la validation du modèle hors de portée.

Améliorer les E/S

C’est alors qu’entre en scène le Numerical Algorithms Group (NAG). Emanation, à l’origine, de plusieurs grandes universités du Royaume-Uni, le NAG est une organisation à but non lucratif basée à Oxford, dédiée au développement de logiciels de calcul numérique et qui travaille en partenariat avec les plus grands chercheurs et praticiens du monde universitaire et de l’industrie. Il assure notamment l’assistance des utilisateurs d’HECToR.

Un des experts en calcul haute performance du NAG a identifié que le goulot d’étranglement du modèle informatique, DL_POLY_3 provenant des Laboratoires de Daresbury, se situait au niveau de la gestion des entrées et surtout des sorties (E/S).

Les experts du NAG ont alors optimisé toutes les fonctions d’E/S du modèle, en utilisant des systèmes de fichiers modernes pour réorganiser les données et en parallélisant les E/S. Six mois de travail ont été nécessaires pour obtenir des Entrées/Sorties en moyenne cinquante fois plus rapides.

Avec ce gain en performances, le modèle DL_POLY_3 est devenu concrètement utilisable pour poursuivre les recherches sur la formation de la coquille d’œuf. Les résultats de la simulation montrent maintenant comment la protéine se lie en utilisant deux clusters de résidus d’acides aminés sur deux boucles de la protéine.

Cela crée une tenaille chimique au niveau des nanoparticules de carbonate de calcium qui encourage la formation de cristallites de calcite. Une fois que les cristallites sont suffisamment grandes pour continuer à grandir d’elles même, la protéine est alors relâchée. La protéine OC-17 ainsi libérée peut contribuer à d’autres cristallisations, ce qui facilite la formation de la coquille – qui a donc démarré d’abord à partir de cette protéine présente chez le poulet.

Réduire le temps de simulation d’un facteur 20

« Avant les améliorations apportées à ses Entrées/Sorties, DL_POLY_3 n’était pas capable d’utiliser efficacement le système de fichiers parallèle d’HECToR, ce qui affectait considérablement les performances de nos simulations. Le nouveau code a réduit le temps d’écriture d’un instantané de trois minutes à moins d’une demi-seconde, ce qui a conduit à l’amélioration des performances nettes de nos simulations d’un facteur vingt. Sans l’intervention du NAG, nous n’aurions pas pu utiliser HECToR efficacement pour nos travaux », estime David Quigley du Département de Physique et de Calcul Scientifique de l’Université de Warwick.

Au-delà d’un embryon de réponse à la question existentielle sur l’œuf et la poule, les chercheurs pensent que cet éclairage sur les méthodes de cristallisation présentes dans la nature sera intéressant pour les activités utilisant la cristallisation artificielle.

Jean-François Prevéraud

Pour en savoir plus : http://www.nag.com

 

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