Según algunos experimentos recientes guiados por supercomputadoras, se pueden encontrar algunos secretos para reparar nuestros esqueletos en las sedosas redes de arañas. Los científicos involucrados dicen que sus resultados ayudarán a comprender los detalles de la osteoregeneración, o cómo se regeneran los huesos.
Un estudio encontró que los genes podrían activarse en las células madre humanas que inician la biomineralización, un paso clave en la formación ósea. Los científicos lograron estos resultados con seda artificial derivada de la dragalina de las telas de araña tejedoras de orbes dorados, que combinaron con sílice.estudio apareció en septiembre de 2017 en la revista Materiales funcionales avanzados y ha sido el resultado del esfuerzo combinado de tres instituciones: la Universidad de Tufts, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Nottingham Trent.
Los autores del estudio utilizaron las supercomputadoras Stampede1 en el Texas Advanced Computing Center TACC de la Universidad de Texas en Austin y Comet en el San Diego Supercomputer Center SDSC de la Universidad de California en San Diego a través de una asignación de XSEDE, eXtremeScience and Engineering Discovery Environment, financiado por la National Science Foundation. Las supercomputadoras ayudaron a los científicos a modelar cómo el receptor de proteína de la membrana celular se llama pliegues de integrina y activa las vías intracelulares que conducen a la formación de hueso. La investigación ayudará a esfuerzos más grandes para curar enfermedades del crecimiento óseo comocomo osteoporosis o enfermedad valvular aórtica calcificada.
"Este trabajo demuestra un vínculo directo entre los biomateriales a base de sílice de seda y las vías intracelulares que conducen a la osteogénesis", dijo la coautora del estudio, Zaira Martín-Moldes, investigadora postdoctoral en el Laboratorio Kaplan de la Universidad de Tufts. Ella investiga eldesarrollo de nuevos biomateriales basados en seda. "El material híbrido promovió la diferenciación de las células madre mesenquimales humanas, las células progenitoras de la médula ósea, en osteoblastos como un indicador de osteogénesis o formación de tejido óseo", dijo Martín-Moldes.
"Se ha demostrado que la seda es un andamio adecuado para la regeneración de tejidos, debido a sus excelentes propiedades mecánicas", explicó Martín-Moldes. Es biodegradable. Es biocompatible. Y se puede ajustar mediante modificaciones de bioingeniería. El equipo experimental de la Universidad de Tuftsmodificó la secuencia genética de la seda de las arañas tejedoras de orbes dorados Nephila clavipes y fusionó el péptido promotor de sílice R5 derivado de un gen de la diatomea Cylindrotheca fusiformis silaffin.
El estudio de formación ósea apuntó a la biomineralización, un proceso crítico en la biología de los materiales. "Nos encantaría generar un modelo que nos ayude a predecir y modular estas respuestas tanto en términos de prevenir la mineralización como de promoverla", dijo Martín-Moldes.
"Las simulaciones de supercomputación de alto rendimiento se utilizan junto con enfoques experimentales para desarrollar un modelo para la activación de la integrina, que es el primer paso en el proceso de formación ósea", dijo el coautor del estudio Davoud Ebrahimi, asociado postdoctoral en el Laboratorio de Atomísticay Mecánica Molecular del Instituto de Tecnología de Massachusetts.
Integrin se incrusta en la membrana celular y media las señales entre el interior y el exterior de las células. En su estado latente, la unidad principal que sobresale de la membrana se dobla como un durmiente con la cabeza. Este estado inactivo impide la adhesión celular.su estado activado, la unidad principal se endereza y está disponible para la unión química en su región ligando expuesta.
"Muestrear diferentes estados de la conformación de integrinas en contacto con superficies silicificadas o no silicificadas podría predecir la activación de la vía", explicó Ebrahimi. Muestrear el plegamiento de proteínas sigue siendo un problema computacionalmente costoso, a pesar de los recientes y grandes esfuerzos en el desarrollonuevos algoritmos
La quimera de seda-sílice derivada que estudiaron pesaba alrededor de 40 kilodaltons fuertes. "En esta investigación, lo que hicimos para reducir los costos computacionales, solo hemos modelado la pieza principal de la proteína, que se está poniendo en contactocon la superficie que estamos modelando ", dijo Ebrahimi." Pero nuevamente, es un gran sistema para simular y no se puede hacer en un sistema ordinario o en computadoras ordinarias ".
El equipo computacional del MIT utilizó el paquete de dinámica molecular llamado Gromacs, un software para simulación química disponible en los sistemas de supercomputación Stampede1 y Comet. "Podríamos realizar esas simulaciones grandes al tener acceso a los grupos computacionales XSEDE", dijo.
"Tengo una experiencia positiva muy antigua usando los recursos de XSEDE", dijo Ebrahimi. "Los he estado usando durante casi 10 años para mis proyectos durante mis experiencias de posgrado y postdoctorado. Y el personal de XSEDE esrealmente útil si encuentra algún problema. Si necesita un software que debería instalarse y no está disponible, lo ayudan y lo guían a través del proceso de hacer su investigación. Recuerdo haber intercambiado muchos correos electrónicos la primera vez que estaba tratando de usar elgrupos, y no estaba tan familiarizado. Obtuve mucha ayuda de los recursos de XSEDE y de la gente de XSEDE. Realmente aprecio el tiempo y el esfuerzo que dedicaron para resolver los problemas de computación que usualmente encontramos durante nuestra simulación ", reflexionó Ebrahimi..
La computación combinada con la experimentación ayudó a avanzar el trabajo en el desarrollo de un modelo de osteoregeneración. "Proponemos un mecanismo en nuestro trabajo", explicó Martín-Moldes, "que comienza con la superficie de sílice-seda activando un receptor de proteína de membrana celular específico, en estecaso de integrina αVβ3 ". Dijo que esta activación desencadena una cascada en la célula a través de tres vías de la proteína quinasa activada por mitógeno MAPK, la principal es la cascada de la quinasa N-terminal JNK c-Jun".
Agregó que otros factores también están involucrados en este proceso, como Runx2, el principal factor de transcripción relacionado con la osteogénesis. Según el estudio, el sistema de control no mostró ninguna respuesta, y tampoco el bloqueo de la integrina usando un anticuerpo,confirmando su participación en este proceso. "Otro resultado importante fue la correlación entre la cantidad de sílice depositada en la película y el nivel de inducción de los genes que analizamos", dijo Martín-Moldes. "Estos factores también proporcionan una característica importante paracontrol en el diseño de material futuro para biomateriales formadores de hueso "
"Estamos haciendo una investigación básica aquí con nuestros sistemas de sílice-seda", explicó Martín-Moldes. "Pero estamos ayudando a construir el camino para generar biomateriales que podrían usarse en el futuro. La mineralización es un proceso crítico.El objetivo final es desarrollar estos modelos que ayuden a diseñar los biomateriales para optimizar el proceso de regeneración ósea, cuando se requiera que el hueso se regenere o para minimizarlo cuando necesitemos reducir la formación de hueso ".
Estos resultados ayudan a avanzar en la investigación y son útiles en esfuerzos más grandes para ayudar a curar y tratar enfermedades óseas ". Podríamos ayudar a curar enfermedades relacionadas con la formación ósea, como la enfermedad de la válvula aórtica calcificada u osteoporosis, que necesitamos conocer la víapara controlar la cantidad de hueso formado, para reducirlo o aumentarlo, dijo Ebrahimi.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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