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Les âmes soyeuses des araignées peuvent retenir des secrets sur réparer nos squelettes

Quelques secrets à réparer nos squelettes pourraient être trouvés dans les âmes soyeuses des araignées, selon des expériences récentes guidées par des superordinateurs. Les scientifiques impliqués disent que leurs résultats aideront à comprendre les détails de l'osteoregeneration, ou comment les os se réparent.

L'étude récent publiée a constaté que des gènes pourraient être activés en cellules souche humaines qui le biomineralization initié, une opération principale dans l'ossification. Les scientifiques ont réalisé ces résultats avec la soie conçue dérivée de la dragline des toiles d'araignée d'or de tisserand de globe, qu'ils ont combinées avec de la silice. L'étude, publiée en septembre 2017 dans les matériaux fonctionnels avancés par tourillon, était le résultat d'un effort combiné de trois institutions : Université de touffes, Massachusetts Institute of Technology, et université de Nottingham Trent.

Les auteurs d'étude ont employé la ruée de superordinateurs au centre de superinformatique avancé par Texas (TACC) à l'Université du Texas chez Austin et à la comète au centre de superordinateur de San Diego (SDSC) à l'Université de Californie San Diego par une attribution des ressources de XSEDE, l'environnement extrême de découverte de scientifique et technique qui est financé par le National Science Foundation (NSF). Les superordinateurs ont aidé le modèle de scientifiques comment l'intégrine appelée de récepteur de protéine de membrane cellulaire plie et active les voies intracellulaires qui mènent à l'ossification. La recherche aidera de plus grands efforts pour traiter les maladies de croissance osseuse telles que l'ostéoporose ou la valvulopathie aortique calcifique.

« Ce travail explique un lien direct entre les biomatériaux basés sur soie et les voies intracellulaires menant à l'ostéogenèse, » a dit le co-auteur Zaira Martín-Moldes, un chercheur post-doctoral d'étude au laboratoire de Kaplan à l'université de touffes qui recherche le développement des biomatériaux neufs basés sur la soie. « Le matériau hybride a introduit la différenciation des cellules souche mésenchymateuses humaines, les cellules d'ancêtre de la moelle osseuse, aux osteoblasts comme indicateur d'ostéogenèse, ou de formation comme un os de tissu. »

La soie s'est avérée un échafaudage adapté pour la régénération de tissu, dû à ses propriétés mécaniques en suspens, Martín-Moldes a expliqué. Elle est biodégradable. Elle est biocompatible. Et elle est fin-réglable par des modifications de bio-ingénierie. L'équipe expérimentale à l'université de touffes a modifié la séquence génétique de la soie des araignées d'or de tisserand de globe (clavipes de Nephila) et a protégé par fusible le peptide de silice-introduction R5 dérivé d'un gène du silaffin de fusiformis de Cylindrotheca de diatomée.

L'étude d'ossification a visé le biomineralization, un procédé critique dans la biologie de matériaux. « Nous aimerions produire d'un modèle qui nous aide à prévoir et moduler ces réactions en termes d'éviter la minéralisation et à les introduire également, » Martín-Moldes avons dit.

« Des simulations performantes de superinformatique sont utilisées avec des approches expérimentales pour développer un modèle pour l'activation d'intégrine, qui est la première étape dans le procédé d'ossification, » ont dit le co-auteur Davoud Ebrahimi, un associé post-doctoral d'étude au laboratoire pour la mécanique moléculaire atomistique et de Massachusetts Institute of Technology.

L'intégrine s'encastre dans la membrane cellulaire et négocie des signes entre l'intérieur et l'extérieur des cellules. Dans son état inactif, l'élément principal collant hors de la membrane est courbé plus de comme un dormeur de inclination de tête. Cette condition inactive évite l'adhérence cellulaire. Dans sa condition activée, l'élément principal se redresse à l'extérieur et est procurable pour le produit chimique grippant à sa région exposée de ligand.

Le « échantillon de différentes conditions de la conformation des intégrines en contact avec les surfaces silicified ou non-silicified pourrait prévoir l'activation de la voie, » a dit Ebrahimi. L'échantillon du pliage des protéines reste classiquement de calcul un problème cher, en dépit des efforts récents et grands en développant des algorithmes neufs.

La chimère dérivée de soie-silice qu'ils ont étudiée pesé dedans autour de l'les 40 kilodaltons lourds. « Dans cette recherche, ce qui nous avons réduit les coûts de calcul, nous avons seulement modélisé la pièce principale de la protéine, qui obtient en contact avec la surface que nous modélisons, » Ebrahimi avons dit. « Mais de nouveau, c'est un grand système à simuler et ne peut pas être fait sur un système normal ou des ordinateurs normaux. »

L'équipe de calcul au MIT a employé l'envoi Gromacs appelé, un logiciel de dynamique moléculaire pour la simulation chimique procurable sur les superordinateurs de ruée et de comète. « Nous pourrions exécuter ces grandes simulations en ayant accès à ces boîtiers de calcul de XSEDE, » a dit Ebrahimi.

Le calcul combiné avec l'expérimentation a aidé le travail anticipé en développant un modèle d'osteoregeneration. « Nous proposons un mécanisme dans notre travail qui commence par la surface de silice-soie activant un récepteur spécifique de protéine de membrane cellulaire, dans ce cas l'intégrine αVβ3, » a dit Martín-Moldes, ajoutant que cette activation déclenche une cascade dans la cellule par trois voies mitogène-activées de kinsase (MAPK) de protéine, le principal étant la cascade de la kinase de N-terminal de c-Juin (JNK).

D'autres facteurs sont également impliqués dans ce procédé tel que Runx2, le facteur principal de transcription lié à l'ostéogenèse. Selon l'étude, le système de contrôle n'a montré aucune réaction, et ni l'un ni l'autre n'ont fait l'obstruction de l'intégrine utilisant un anticorps, confirmant sa participation dans ce procédé. Des « autres résultats importants étaient la corrélation entre la quantité de silice déposée dans le film et le niveau de l'admission des gènes que nous avons analysés, » a dit Martín-Moldes. « Ces facteurs fournissent également une caractéristique importante pour régler dans le futur modèle matériel pour les biomatériaux de os-formation. »

Les chercheurs établissent une voie pour produire des biomatériaux qui pourraient être employés à l'avenir, avec la minéralisation étant un procédé critique. L'objectif final est de développer des modèles que modèle d'aide les biomatériaux pour optimiser le procédé de régénération osseuse, quand l'os est exigé pour le régénérer ou réduire à un minimum quand nous devons réduire l'ossification.

Ces résultats aident l'avance la recherche et sont utiles dans de plus grands efforts pour aider à guérir et traiter des maladies des os. « Nous pourrions aider en guérissant la maladie liée à l'ossification, telle que la valvulopathie aortique calcifique ou l'ostéoporose, dont nous avons besoin pour connaître la voie pour régler la quantité d'os formée, à la réduisent ou augmentent, » Ebrahimi a dit.