Formulaire de proposition de sujet de thèse

 Formulaire de proposition de sujet de thèse
Titre : (en français et en Anglais)
Biologie intégrative – interprétation de Données Expérimentales par Simulation et
Visualisation Moléculaire Interactive
Integrative Biology – decrypting Experimental Data via Interactive Molecular Simulation
and Visualisation
Mots clés : (en français et en Anglais)
Visualisation moléculaire, Simulation Moléculaire Interactive, Mur d’image, Optimisation de
code, Parallélisation, Portage et Optimisation sur GPU, calcul en temps réel
Molecular Visualization, Interactive Molecular Simulation, Display wall, Code optimization,
parallelization, GPU implementation and optimization, real time calculation
Description du sujet : (~1 page, en français et en Anglais)
Encadrants : (Co-encadrement)
Nom, prénom du Directeur de thèse : Baaden, Marc
Organisme : CNRS
Adresse : Laboratoire de Biochimie Théorique/CNRS UPR 9080, Paris 5e
Téléphone : 01 58 41 51 76
Mél : [email protected]
Etes-vous titulaire d’une HDR ou d’un doctorat d’Etat (oui, non, en cours) ? oui.
Nombre de doctorants qui seront encadrés au cours de la prochaine année ? 1
Nombre de thèses déjà encadrées ? 3
Co-Encadrant scientifique - Nicolas Férey – Maître de Conférences – [email protected] –
Laboratoire d’Informatique pour la Mécanique pour les Sciences de l’Ingénieur/CNRS UPR 3251
Etablissement d’inscription potentiel ? Univ Paris Diderot
Ecole doctorale potentielle ? ECOLE DOCTORALE "Médicament, Toxicologie, Chimie,
Imageries"
Ce sujet est-il susceptible de faire l’objet d’un co-financement entre la Maison de la
Simulation et un autre établissement : Oui - Non Le cas échant, établissement partenaire :
Les masses de données biologiques maintenant générées de manière routinière par une multitude
de techniques biophysiques (SAXS, Cryo-EM, FRET, MS, ..) ouvrent la voie à la Biologie
Intégrative qui combine toutes ces informations afin de converger vers des modèles de plus en
plus réalistes. Modélisation et visualisation moléculaire représentent des outils indispensables pour
réaliser cette tâche. Dans cette thèse nous ferons évoluer et converger notre outil de simulation
BioSpring vers un logiciel intégré avec le visualiseur UnityMol, particulièrement adapté pour
l’affinement et l’interprétation interactive de tels modèles.
Au LIMSI et au LBT, nous développons conjointement une approche multi-échelle basée sur des
réseaux de ressorts, résumant fidèlement les propriétés mécaniques des biomolécules, quels
que soient la taille des grains utilisés (atome, gros grain, résidu...) et le type de biomolécule
modélisée (protéine, ARN, ADN…). Cette approche interactive, concrétisée dans le logiciel
BioSpring (code parallélisé avec OpenMP et OpenCL, et partiellement avec HMPP - projet de
portage GENCI PPLC3D 2010), sera au coeur du projet de thèse et a déjà démontré son efficacité
[1-3]. Il reste à l'optimiser et à améliorer le passage à l’échelle (portage hybride multicoeur
MPI/OpenMP ou manycoeur GPU-OpenCL) pour pouvoir traiter des systèmes de grande
envergure (capside de virus, ribosome).
La visualisation représente un élément clé dans cette approche. A partir de la dernière version de
notre logiciel UnityMol [4-5] il est maintenant possible de guider et interagir avec des simulations
en cours à travers des périphériques adaptés comme des bras haptiques. Ici nous intégrerons une
visualisation originale, intuitive et immersive des données biologiques en tirant profit de supports
de visualisation avancés comme les murs d’image (à la Maison de la simulation ; bientôt aussi à
l’IBPC) et les CAVEs (au LIMSI) qui permettront un travail immersif et collaboratif particulièrement
adapté aux tâches qui nécessitent de réunir un nombre important d’expertises complémentaires.
L’affichage interactif dans UnityMol sera renseigné par des simulations BioSpring dont l’utilisateur
peut en temps interactif visualiser le résultat, et appliquer des contraintes de forces sur certains
atomes. Les derniers travaux que nous avons menés intègrent des données expérimentales
nouvelles comme des enveloppes moléculaires (SAXS et CryoEM) dans ce processus [1]. Ces
contraintes expérimentales sont prises en compte durant la simulation, ce qui permet de manipuler
la molécule d’intérêt « sous le contrôle » de ses propriétés biophysiques intégrées dans le modèle.
Dans toutes ces recherches, tant au niveau de l'optimisation de la simulation que de la
visualisation, le concours de la Maison de la Simulation sera extrêmement précieux.
[1] Molza et al., Innovative interactive flexible docking method for multi-scale reconstruction elucidates dystrophin molecular assembly (2014), Faraday Discuss., 169,
45-62; [2] Delalande et al., Multi-resolution approach for interactively locating functionally linked ion binding sites by steering small molecules into electrostatic
potential maps using a haptic device (2010), In Proceedings of Pacific Symposium on Biocomputing (PSB'10), Vol.15, 205-215 ; [3] Saladin et al., Modeling the early
stage of dna sequence recognition within reca nucleoprotein filaments (2010), Nucleic Acid Research, 38, 6313-6323 ; [4] Lv et al., Game on, Science - how video
game technology may help biologists tackle visualization challenges (2013), PLoS ONE 8(3):e57990. doi:10.1371/journal.pone.0057990 ; [5] Pérez et al., ThreeDimensional Representations of Complex Carbohydrates and Polysaccharides. SweetUnityMol: A Video Game Based Computer Graphic Software (2014),
Glycobiology; doi: 10.1093/glycob/cwu133