In vivo, in vitro, in silico : croiser les expériences de laboratoire avec les "expériences" numériques (grâce à la puissance croissante des microprocesseurs) permet de répondre à de nombreuses questions concernant le monde moléculaire, dès lors que la précision des expériences est adaptée au processus considéré.
Le plus connu des acides nucléiques, la double hélice d’ADN, siège de l’information génétique, fournit un bon exemple de ce que la simulation moléculaire peut accomplir. Pour commencer, elle permet un niveau de contrôle souvent inaccessible à l’expérimentateur. Ainsi, bien que les bases d’ADN, adénine (A), thymine (T), guanine (G) et cytosine (C) interagissent dans l’eau en s’empilant, les simulations de dynamique moléculaire permettent de contrer ses interactions et d’étudier la formation des paires A-T et G-C, appariées par liaisons hydrogène comme au sein de la double hélice. Il est alors possible de calculer leur énergie libre d’appariement, une grandeur inaccessible expérimentalement.

Ces résultats ont un intérêt biologique puisque, dans son environnement naturel, l’ADN est en interaction permanente avec des protéines, également capables de lui imposer des déformations. De telles déformations sont même indispensables pour assurer la lecture de l’information génétique, sa duplication et son empaquetage au sein de la cellule. La protéine RecA, par exemple, joue un rôle important dans le processus de recombinaison qui permet d’intervertir des segments dans un génome. Son action, qui implique l’échange de brins entre deux doubles hélices ayant des séquences homologues, provoque l’étirement de ces hélices par un facteur 1,5. C'est la connaissance de la forme ADN-S qui a permis de proposer un mécanisme pour l’échange des brins qui est en accord avec la somme des informations expérimentales.

Si c'est au niveau le plus fin que se situe la chimie proprement dite (la compréhension d'une réaction chimique nécessite un suivi indépendant des électrons et des noyaux atomiques et exige l'emploi de la mécanique quantique), il s'avère que la mécanique classique de Newton permet de comprendre les changements de conformation moléculaire. Ceci permet d'aborder la simulation de systèmes beaucoup plus grands -contenant souvent des dizaines de milliers d'atomes-, de simuler la dynamique sur plusieurs échelles de temps. La physico-chimie in silico des macromolécules biologiques a de beaux jours devant elle...