Sommige geheimen om onze skeletten te repareren kunnen worden gevonden in de zijdeachtige webben van spinnen, volgens recente experimenten geleid door supercomputers. Betrokken wetenschappers zeggen dat hun resultaten de details van osteoregeneratie zullen helpen begrijpen, of hoe botten regenereren.

Een studie wees uit dat genen kunnen worden geactiveerd in menselijke stamcellen die biomineralisatie initiëren, een belangrijke stap in de botvorming. Wetenschappers bereikten deze resultaten met gemanipuleerde zijde afgeleid van de dragline van gouden bolweverspinnenwebben, die ze combineerden met silica. De studie verscheen in september 2017 in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen en is het resultaat van de gezamenlijke inspanning van drie instellingen:Tufts University, Massachusetts Institute of Technology en Nottingham Trent University.

Auteurs van de studie gebruikten de supercomputers Stampede1 in het Texas Advanced Computing Center (TACC) van de Universiteit van Texas in Austin en Comet in het San Diego Supercomputer Center (SDSC) van de University of California San Diego via een toewijzing van XSEDE, de eXtreme Science and Engineering Discovery-omgeving, gefinancierd door de National Science Foundation. De supercomputers hielpen wetenschappers te modelleren hoe de celmembraaneiwitreceptor, integrineplooien genaamd, de intracellulaire paden activeert die tot botvorming leiden. Het onderzoek zal bijdragen aan grotere inspanningen om botgroeiziekten zoals osteoporose of verkalkte aortaklepaandoeningen te genezen.

"Dit werk toont een direct verband aan tussen op zijde-silica gebaseerde biomaterialen en intracellulaire routes die leiden tot osteogenese, " zei co-auteur van de studie Zaira Martín-Moldes, een postdoctoraal onderzoeker aan het Kaplan Lab van Tufts University. Ze doet onderzoek naar de ontwikkeling van nieuwe biomaterialen op basis van zijde. "Het hybride materiaal bevorderde de differentiatie van menselijke mesenchymale stamcellen, de voorlopercellen uit het beenmerg, tot osteoblasten als een indicator van osteogenese, of botachtige weefselvorming, ' zei Martín-Moldes.

"Van zijde is aangetoond dat het een geschikte steiger is voor weefselregeneratie, dankzij zijn uitstekende mechanische eigenschappen, " Martín-Moldes legde uit. Het is biologisch afbreekbaar. Het is biocompatibel. En het is nauwkeurig af te stemmen door middel van bio-engineering modificaties. Het experimentele team van Tufts University heeft de genetische sequentie van zijde aangepast van gouden bolweverspinnen (Nephila clavipes) en het silica-bevorderende peptide R5 gefuseerd afgeleid van een gen van de diatomeeënaarde Cylindrotheca fusiformis silaffin.

Het botvormingsonderzoek richtte zich op biomineralisatie, een kritisch proces in de materiaalbiologie. "We zouden graag een model genereren dat ons helpt deze reacties te voorspellen en te moduleren, zowel in termen van het voorkomen van de mineralisatie als om het te bevorderen, ' zei Martín-Moldes.

"High performance supercomputing-simulaties worden gebruikt samen met experimentele benaderingen om een ​​model te ontwikkelen voor de activering van integrine, wat de eerste stap is in het botvormingsproces, " zei co-auteur van de studie Davoud Ebrahimi, een postdoctoraal medewerker bij het Laboratory for Atomistic and Molecular Mechanics van het Massachusetts Institute of Technology.

Integrine nestelt zich in het celmembraan en bemiddelt signalen tussen de binnenkant en de buitenkant van cellen. In zijn slapende toestand, de head-unit die uit het membraan steekt is omgebogen als een knikkende slaper. Deze inactieve toestand voorkomt celadhesie. In zijn geactiveerde toestand, de hoofdeenheid wordt recht en is beschikbaar voor chemische binding in het blootgestelde ligandgebied.

"Bemonstering van verschillende toestanden van de conformatie van integrines in contact met verkiezelde of niet-verkiezelde oppervlakken zou activering van de route kunnen voorspellen, " legde Ebrahimi uit. Het bemonsteren van het vouwen van eiwitten blijft een klassiek rekenkundig duur probleem, ondanks recente en grote inspanningen bij het ontwikkelen van nieuwe algoritmen.

De afgeleide zijde-silica chimaera die ze bestudeerden, woog ongeveer 40 kilodalton. "Bij dit onderzoek wat we hebben gedaan om de rekenkosten te verlagen, we hebben alleen het kopstuk van het eiwit gemodelleerd, die in contact komt met het oppervlak dat we modelleren, "zei Ebrahimi. "Maar nogmaals, het is een groot systeem om te simuleren en kan niet worden gedaan op een gewoon systeem of gewone computers."

Het Computational-team van MIT gebruikte het moleculaire dynamica-pakket genaamd Gromacs, een software voor chemische simulatie die beschikbaar is op zowel de Stampede1- als de Comet-supercomputersystemen. "We zouden die grote simulaties kunnen uitvoeren door toegang te hebben tot XSEDE-computerclusters, " hij zei.

"Ik heb een zeer langdurige positieve ervaring met het gebruik van XSEDE-middelen, "zei Ebrahimi. "Ik gebruik ze nu al bijna 10 jaar voor mijn projecten tijdens mijn afstudeer- en postdoctorale ervaringen. En het personeel van XSEDE is erg behulpzaam als je problemen tegenkomt. Als u software nodig heeft die moet worden geïnstalleerd en deze niet beschikbaar is, ze helpen en begeleiden je bij het proces van het doen van je onderzoek. Ik herinner me dat ik veel e-mails uitwisselde de eerste keer dat ik de clusters probeerde te gebruiken, en ik was niet zo bekend. Ik heb veel hulp gekregen van XSEDE-bronnen en mensen bij XSEDE. Ik waardeer echt de tijd en moeite die ze steken in het oplossen van rekenproblemen die we gewoonlijk tegenkomen tijdens onze simulatie, ’ dacht Ebrahimi na.

Berekening in combinatie met experimenten hielpen vooruit bij het ontwikkelen van een model van osteoregeneratie. "We stellen een mechanisme voor in ons werk, " legde Martín-Moldes uit, "dat begint met het oppervlak van silica-zijde dat een specifieke celmembraaneiwitreceptor activeert, in dit geval integrine Vβ3." Ze zei dat deze activering een cascade in de cel op gang brengt via drie door mitogeen geactiveerde proteïne kinsase (MAPK) routes, de belangrijkste is de c-Jun N-terminale kinase (JNK) cascade.

Ze voegde eraan toe dat ook andere factoren bij dit proces betrokken zijn, zoals Runx2, de belangrijkste transcriptiefactor gerelateerd aan osteogenese. Volgens de studie, het besturingssysteem reageerde niet, en evenmin de blokkering van integrine met behulp van een antilichaam, haar betrokkenheid bij dit proces bevestigt. "Een ander belangrijk resultaat was de correlatie tussen de hoeveelheid silica die in de film werd afgezet en het niveau van inductie van de genen die we analyseerden, " Martín-Moldes zei. "Deze factoren bieden ook een belangrijk kenmerk om te controleren bij toekomstig materiaalontwerp voor botvormende biomaterialen."

"We doen hier een fundamenteel onderzoek met onze zijde-silica systemen, " Martín-Moldes legde uit. "Maar we helpen bij het bouwen van het pad om biomaterialen te genereren die in de toekomst kunnen worden gebruikt. De mineralisatie is een kritisch proces. Het uiteindelijke doel is om deze modellen te ontwikkelen die helpen bij het ontwerpen van de biomaterialen om het botregeneratieproces te optimaliseren, wanneer het bot nodig is om te regenereren of om het te minimaliseren wanneer we de botvorming moeten verminderen."

Deze resultaten helpen het onderzoek vooruit en zijn nuttig bij grotere inspanningen om botziekten te genezen en te behandelen. "We kunnen helpen bij het genezen van ziekten die verband houden met botvorming, zoals verkalkte aortaklepziekte of osteoporose, waarvan we het pad moeten kennen om de hoeveelheid gevormd bot te beheersen, verminderen of verhogen, zei Ebrahim.