Module Chimique : chem_geo

2.3.2.1 Principe de chem_geo

Chem_geo est l’équivalent de phys_geo pour la « chimie ». Ce module permet de simuler les étapes physico-chimique et chimique succédant à l’étape physique. Pour l’étape chimique, la méthode pas-à-pas présenté au chapitre 1 (Cf. Section 1.3.1.1) est appliquée. A la fin de l’étape physique, plusieurs données ont été récoltées comme mentionné dans la section précédente. En particulier, les eventID ainsi que les identifiants des voxels vont être très utiles pour gagner en temps de simulation. En effet, toutes les données issues de la partie physique et servant à l’étape physico-chimique sont classées par évènement et par voxel et lors de l’exécution de chem_geo, chaque fichier évènement/voxel correspond à une simulation qui sera exécutée de manière indépendante par une unité de calcul du cluster utilisé lors de ce travail. Globalement, cette méthode de « pseudo parallélisation » permet un gain important en temps de calcul et en mémoire en évitant de devoir simuler en même temps la création des radicaux libres ainsi que leurs diffusions et réactions dans le noyau complet qui, rappelons-le, contient 6 Gbp soit 36 milliards de molécules.

2.3.2.2 Modifications du code source de Geant4 pour la chimie

Dans le module chimie de Geant4-DNA, les volumes géométriques d’ADN ne sont pas utilisés comme ils pouvaient l’être dans la partie physique. En effet, les volumes géométriques sont par défaut statiques et ne réagissent pas entre eux alors que les molécules dans la chimie se comportent différemment en diffusant et en ayant des taux de réactions. De ce fait, des modifications du code source de la chimie de Geant4.10.1.p02 ont également été effectuées lors de la conception de chem_geo [MEYLAN, 2016]. Similairement à PhysGeoImport, une classe ChemGeoImport permet d’importer les fichiers .fab2g4dna des voxels créés à partir de DnaFabric afin de convertir les géométries d’ADN en molécules d’ADN statiques en appliquant un coefficient de diffusion nul pour spécifier que chaque molécule d’ADN doit être traitée comme tel. Les molécules d’ADN sont introduites dans la simulation via la classe G4MoleculeGun de même que les électrons solvatés et les molécules d’eau ionisées ou excitées. Enfin, les molécules d’ADN ionisées ou excitées qui ont été enregistrées dans le fichier d’entrée de la partie physico-chimique sont retirées de la simulation car elles sont considérées comme ne pouvant plus réagir avec les autres molécules. A ce stade, la simulation de l’étape physico-chimique correspondant à la dissociation des molécules d’eau instables et donc, à la création des radicaux libres, peut maintenant être effectuée.

Pour l’étape chimique, la simulation des réactions entre les molécules chimiques, qui sont dynamiques, et les molécules d’ADN, qui sont statiques, a été implémentée. De façon générale, ces modifications ont permis de simuler les réactions entre les radicaux libres et les molécules d’ADN en plus de la possibilité déjà présente dans Geant4-DNA de simuler la radiolyse de l’eau. Le module chimique de la chaîne de calcul prend en compte ces réactions chimiques présentes par défaut dans Geant4-DNA et ces réactions sont listées dans le tableau 2.5a.

2.3.2.3 Modifications et ajouts des réactions chimiques

Initialement dans ce module, les réactions implémentées dans la thèse de [MEYLAN, 2016] (tableau 2.5b) incluaient les réactions entre les radicaux OH● créés et les bases de l’ADN ou le 2-désoxyribose. Dans ce travail de thèse, de nouvelles réactions ont été considérées (tableau 2.5b) comme effectué dans les travaux de Lampe et al. [LAMPE et al., 2018]. Il s’agit des réactions entre les bases de l’ADN ou le 2-désoxyribose et les électrons solvatés (e

-aq)ainsi que le radical hydrogène H●. En effet, comme indiqué dans le tableau 2.5a, plusieurs réactions impliquent le radical H● et les e

-aq. Or, ces derniers peuvent également réagir avec les bases de l’ADN et le 2-désoxyribose. Il est donc judicieux de prendre en compte dans la simulation ces types de réaction. De plus, les taux de réactions entre les OH● et l’ADN ont été modifiés et sont maintenant issus du travail de [BUXTON, 1998], qui ont été repris dans [LAMPE et al., 2018]. Le principal changement réside dans le passage du taux de réaction entre les OH● et le 2-désoxyribose de 2,5.109 M-1s-1 à 1,8.109 M-1s-1. Tous ces changements ont permis une meilleure simulation de la formation de OH● au cours du temps et ainsi l’obtention d’un meilleur ratio entre les dommages directs et indirects. Il est reconnu qu’à faible

TEL, des taux de 35% de dommages directs et de 65% de dommages indirects sont observés [MICHAEL et O’NEILL., 2000]. Notons que certains codes de calculs comme PARTRAC [FRIEDLAND et al., 2003] ont adopté ce ratio. Dans notre cas et malgré ces modifications, nous obtenons un ratio d’environ 30% de directs et 70% d’indirects, ce qui reste légèrement supérieur à ce qui est attendu. Ces différences peuvent provenir des différents paramètres utilisés dans la simulation pour le calcul des dommages que nous verrons dans la section 2.3.3.

Tableau 2.5 : Réactions et taux de réaction utilisés dans la partie chimique de la chaîne de calcul : (a) réactions présentes par défaut dans le module chimie de Geant4-DNA permettant la radiolyse de l’eau ; (b) réactions implémentées dans la thèse de [MEYLAN 2016] permettant les réactions entre les molécules d’ADN et les radicaux OH● ainsi que les réactions implémentées dans ce travail de thèse permettant les réactions entre les molécules d’ADN et les radicaux OH●, e

-aq et H●. (a)

Réaction Taux de réaction (1010 M-1s-1)

H● + e -aq + H₂O → OH- + H₂ 2,65 H● + OH● → H2O 1,44 H● + H● → H2 1,20 H2+ OH● → H● + H2O 4,17 . 10-3 H2O2+ e -aq → OH- + OH● 1,41 H₃O+ + e -aq → H● + H₂O 2,11 H3O+ + OH- → 2H2O 14,3 OH● + e -aq → OH● 2,95 OH● + OH● → H2O2 0,44 e -aq + e -aq + 2H₂O → 2OH- + H₂ 0,50 (b)

Réaction Taux de réaction chem_geo (109 M-1s-1) Version initiale Cette thèse

2-désoxyribose + OH● 2,50 1,80 Adénine + OH● 6,10 6,10 Guanine + OH● 9,20 9,20 Thymine + OH● 6,40 6,40 Cytosine + OH● 6,10 6,100 2-désoxyribose + e -aq - 0,01 Adénine + e -aq - 9,00 Guanine + e -aq - 14,0 Thymine + e -aq - 18,0 Cytosine + e -aq - 13,0 2-désoxyribose + H● - 0,029 Adénine + H● - 0,10 Thymine + H● - 0,57 Cytosine + H● - 0,092

A la fin de l’exécution de la simulation des étapes physico-chimique et chimique (chem_geo), plusieurs informations sont enregistrées. Principalement, les noms et les positions des réactifs ainsi

que des produits sont retenus. Lorsque l’un des réactifs est une molécule d’ADN, le brin d’ADN auquel il appartient (1 ou 2) ainsi que l’identifiant de la paire de nucléotide sont également enregistrés. Ces informations seront nécessaires lors du calcul des dommages indirects provenant de l’étape chimique.

2.3.2.4 Prise en compte du scavenging dans la simulation

Une des particularités parmi toutes les réactions simulées entre les radicaux libres et l’ADN est la réaction entre les radicaux et les histones. En effet, d’un point de vue simulation, toute molécule interagissant avec l’histone est absorbée et ce dernier conserve sa position. L’histone joue alors un rôle que l’on qualifie de « piégeur » (« scavenger ») en protégeant l’ADN des radicaux libres.

L’un des paramètres majeurs dans chem_geo est la durée de la simulation de l’étape chimique. Ce paramètre va déterminer le temps laissé aux radicaux libres pour diffuser et interagir entre eux ou avec les molécules d’ADN. Par défaut, le temps est fixé à 2,5 ns ce qui correspond à une distance de diffusion d’environ 4,5 nm [SAKATA et al., 2019]. Cela permet entre autres, de prendre en compte la capacité de scavenging des protéines non-histones associées à la chromatine qui est beaucoup moins important par rapport à celle des protéines histones mais qui n’est pas non plus négligeable [ELIA et BRADLEY, 1992]. L’influence de ce temps de simulation ainsi que ses limites seront discutés dans le chapitre 3.