Quiconque a déjà fait mousser connaît le dilemme. Les mêmes qualités qui rendent les tensioactifs – les composés chimiques présents dans les savons, les shampoings et les détergents qui pénètrent dans la graisse, dissolvent les taches et rendent la mousse satisfaisante sous la douche – si efficaces que les nettoyants peuvent également agir comme irritants. Lorsqu’ils sont projetés dans les yeux, certains de ces produits peuvent provoquer des démangeaisons, des brûlures et des larmoiements.
« Les graisses et les huiles sont chimiquement similaires aux membranes du corps humain, donc une exposition accidentelle des yeux à ces nettoyants peut également irriter les membranes cellulaires », a déclaré Dilnoza Amirkulova, chercheuse scientifique pour le géant des produits de consommation Procter & Gamble, ou P&G. « Nous devons comprendre quels tensioactifs contenus dans les nettoyants peuvent provoquer une irritation des yeux pour garantir la sécurité de nos produits. »
Les simulations effectuées sur le supercalculateur Summit du laboratoire national d’Oak Ridge du ministère de l’Énergie pourraient aider à éliminer ces risques.
L’Oak Ridge Leadership Computing Facility, qui accueillait autrefois le Summit de l’ORNL, alors l’un des 10 superordinateurs les plus rapides au monde, offre régulièrement ses ressources informatiques de pointe aux chercheurs du gouvernement, du monde universitaire et de l’industrie aux prises avec les plus grands problèmes informatiques scientifiques. . Chaque année, les chercheurs utilisent les ressources de l’OLCF pour réaliser des percées dans des domaines tels que l’aérodynamique, la biologie, la chimie, la sismologie, l’ingénierie, l’énergie et la science des matériaux.
Amirkulova et une équipe de collègues de P&G ont utilisé le système IBM AC922 Summit de 200 pétaflops pour créer un modèle numérique de l’épithélium cornéen, la principale couche externe de cellules recouvrant l’œil humain, et tester ce modèle par rapport à une série de tensioactifs.
« Nous sommes très fiers et satisfaits de nos nombreux partenariats avec l’industrie », a déclaré Bronson Messer, directeur scientifique de l’OLCF. « Ces collaborations permettent de faire des progrès dans la compréhension scientifique avec des avantages que les gens du monde entier peuvent constater dans leur vie quotidienne. »
P&G, une société Fortune 100 d’une valeur de 82 milliards de dollars, jouit d’une reconnaissance mondiale pour des produits de base tels que ses shampoings, ses nettoyants pour surfaces et ses détergents pour la lessive et la vaisselle. Les marques emblématiques de l’entreprise comprennent le détergent Tide, le shampoing Head & Shoulders, le nettoyant à vaisselle Cascade et le nettoyant tout usage Mr. Clean. En tant que plus grande entreprise mondiale de biens de consommation emballés, P&G s’est engagé à atteindre des objectifs mondiaux de développement durable à travers son initiative Ambition 2040, qui vise à réduire les emballages en plastique et en papier pour tous les produits.
L’étude sur Summit est née des engagements de l’entreprise en matière de performance des produits, de sécurité et de durabilité environnementale. Pour atteindre ses objectifs Ambition 2040 visant à réduire les déchets d’emballage, P&G devait concentrer ses nettoyants liquides pour fournir autant de lavages, voire plus, dans des emballages plus petits. Les nettoyants concentrés équivalent à moins d’emballages, moins de cycles de rinçage, des résultats plus rapides, moins d’eau utilisée et une empreinte carbone réduite. P&G a également cherché à garantir que les formules concentrées pourraient répondre aux normes de sécurité de l’entreprise.
« Notre objectif était de mieux comprendre les causes de l’irritation des yeux et comment concevoir de nouveaux tensioactifs qui n’irritent pas tout en nettoyant efficacement », a déclaré Amirkulova. « Chez P&G, nous nous engageons à fournir les performances des produits que les consommateurs attendent tout en respectant les critères de sécurité. »
Les directives éthiques excluaient les tests sur des sujets humains et animaux, qui auraient également été coûteux et longs. L’équipe avait besoin d’un moyen de capturer le contact initial entre les composés de nettoyage et la membrane cornéenne avec des détails précis et sous tous les angles potentiels, à partir de la première microseconde, un millionième de seconde.
Ces critères faisaient de la simulation l’option la plus prometteuse.
« La chimie computationnelle est idéale à de si petites échelles », a déclaré Amirkulova. « Ces tensioactifs que nous testons sont de très petits systèmes chimiques invisibles à l’œil nu qui mesurent environ 30 × 30 nanomètres (un millionième de millimètre), et les membranes que nous étudions mesurent environ 20 nanomètres.
« En raison de certaines limitations expérimentales, il serait difficile de visualiser le processus de manière expérimentale. Nous avions besoin de ces détails pour capturer ces mécanismes à l’œuvre au niveau moléculaire, mais nous n’étions pas sûrs que nos ressources informatiques internes puissent gérer de tels calculs. Nous avait besoin de beaucoup plus de puissance de calcul, du genre que seule une machine comme Summit pouvait fournir. »
Regard sur les complexités
L’équipe s’est tournée vers l’Oak Ridge Leadership Computing Facility et a reçu une allocation de temps sur Summit, qui a depuis été mis hors service.
La puissance de calcul de Summit a permis à l’équipe d’utiliser PACKMOLun progiciel permettant de simuler la dynamique moléculaire, pour construire un modèle évolutif d’un liposome (un sac formé de doubles couches d’acides gras et rempli de molécules d’eau) imitant le comportement de la membrane cornéenne. L’équipe a ensuite utilisé GROMACSun autre logiciel, pour tester différentes quantités de tensioactifs contre le liposome et observer les résultats pendant les trois premières microsecondes de contact.
Les tensioactifs contenus dans les shampooings et autres nettoyants qui irritent les yeux le font en perturbant la membrane cornéenne externe pour créer des trous microscopiques qui permettent aux produits chimiques de pénétrer dans les tissus situés en dessous. Les simulations sur Summit ont montré que l’augmentation de la concentration des tensioactifs étudiés n’augmentait pas nécessairement les dommages causés à la membrane, du moins au contact du liposome seul.
Au lieu de cela, une concentration accrue a provoqué le regroupement des molécules de tensioactif en micelles, de minuscules gouttes de molécules maintenues ensemble par elles-mêmes et entourées d’eau. Certains tensioactifs ont tendance à être plus hydrophiles, ou attirés par l’eau, et donc plus susceptibles de former des micelles et moins susceptibles de pénétrer dans la membrane. D’autres avaient tendance à être plus hydrophobes ou repoussés par l’eau, et donc plus susceptibles de perturber la membrane et de provoquer une irritation.
« Le sommet était incroyable », a déclaré Amirkulova. « Nous n’avions jamais simulé un liposome auparavant, ni simulé la création de trous dans un liposome. Non seulement nous avons créé un liposome stable, mais nous avons également pu exécuter la simulation à grande échelle et modéliser un liposome entier au lieu de seulement une partie de celui-ci, et pour observer le liposome étant perturbé par des forces extérieures.
Les résultats pourraient indiquer des formules pour des tensioactifs plus doux et moins irritants.
« Les simulations nous ont montré pour la première fois que nous pouvons potentiellement doubler la concentration de surfactant sans doubler la perturbation de la membrane externe de l’œil », a déclaré Amirkulova. « Nous pensons qu’il s’agit d’une voie prometteuse pour des études plus approfondies alors que nous développons la prochaine génération de tensioactifs. »
L’équipe P&G prévoit de publier prochainement ses conclusions. Les prochaines étapes pourraient inclure l’extension de la simulation en ajoutant au modèle des protéines et d’autres substances normalement présentes dans l’œil. Amirkulova prévoit de s’appuyer sur les enseignements des simulations pour créer un outil numérique plus simple permettant de prédire la perturbation des liposomes et l’irritation qui en résulte.