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As Web de seda das aranhas podem guardarar segredos a reparar nossos esqueletos

Alguns segredos a reparar nossos esqueletos puderam ser encontrados nas Web de seda das aranhas, de acordo com as experiências recentes guiadas por super-computadores. Os cientistas envolvidos dizem que seus resultados ajudarão a compreender os detalhes de osteoregeneration, ou como os ossos se reparam.

O estudo recentemente publicado encontrou que os genes poderiam ser activados nas células estaminais humanas que o biomineralization iniciado, uma etapa chave na formação do osso. Os cientistas conseguiram estes resultados com a seda projetada derivada do reboque das Web de aranha douradas do tecelão da esfera, que combinaram com o silicone. O estudo, publicado em setembro de 2017 no jornal avançou materiais funcionais, era o resultado de um esforço combinado das três instituições: Universidade dos topetes, Massachusetts Institute of Technology, e universidade de Nottingham Trent.

Os autores do estudo usaram o debandada dos super-computadores no centro avançado Texas da supercomputação (TACC) na Universidade do Texas em Austin e no cometa no centro do super-computador de San Diego (SDSC) na Universidade da California San Diego com uma atribuição de XSEDE, da ciência extrema e do ambiente da descoberta da engenharia que é financiado pelo National Science Foundation (NSF). Os super-computadores ajudaram o modelo dos cientistas como o receptor da proteína da membrana de pilha chamou dobras do integrin e activa os caminhos intracelulares que conduzem para desossar a formação. A pesquisa ajudará esforços maiores para tratar doenças do crescimento do osso tais como a osteoporose ou a doença calcificante da válvula aórtica.

“Este trabalho demonstra uma hiperligação directa entre matérias biológicos seda-silicone-baseados e os caminhos intracelulares que conduzem à osteogénese,” disse o co-autor Zaira Martín-Moldes do estudo, um erudito pos-doctoral no laboratório de Kaplan na universidade dos topetes que pesquisa a revelação dos matérias biológicos novos baseados na seda. “O material híbrido promoveu a diferenciação das células estaminais mesenchymal humanas, as pilhas do ancestral da medula, aos osteoblasts como um indicador da osteogénese, ou osso-como a formação do tecido.”

A seda foi mostrada para ser um andaime apropriado para a regeneração do tecido, devido a suas propriedades mecânicas proeminentes, Martín-Moldes explicou. É biodegradável. É biocompatible. E é fino-ajustável com as alterações da tecnologia biológica. A equipe experimental na universidade dos topetes alterou a seqüência genética da seda das aranhas douradas do tecelão da esfera (clavipes de Nephila) e fundiu o peptide depromoção R5 derivado de um gene do silaffin dos fusiformis de Cylindrotheca da diatomácea.

O estudo da formação do osso visou o biomineralization, um processo crítico na biologia dos materiais. “Nós amaríamos gerar um modelo que nos ajudasse a prever e modular estas respostas em termos de impedir a mineralização e às promover igualmente,” Martín-Moldes dissemos.

“As simulações de capacidade elevada da supercomputação são utilizadas junto com aproximações experimentais para desenvolver um modelo para a activação do integrin, que é a primeira etapa no processo da formação do osso,” disseram o co-autor Davoud Ebrahimi do estudo, um associado pos-doctoral no laboratório para mecânicos atomísticos e moleculars de Massachusetts Institute of Technology.

Integrin encaixa-se na membrana de pilha e negocia-se sinais entre o interior e a parte externa das pilhas. Em seu estado dormente, a unidade principal que cola fora da membrana é dobrada sobre como um dorminhoco de inclinação. Este estado inactivo impede a adesão celular. Em seu estado ativado, a unidade principal endireita para fora e está disponível para o produto químico que liga em sua região expor da ligante.

“Provar estados diferentes da conformação dos integrins em contacto com superfícies silicified ou non-silicified poderia prever a activação do caminho,” disse Ebrahimi. Provar a dobradura das proteínas permanece clàssica computacionalmente um problema caro, apesar dos esforços recentes e grandes em desenvolver algoritmos novos.

A quimera que derivada do seda-silicone estudaram pesado dentro em torno do 40 kilodaltons robustos. “Nesta pesquisa, o que nós reduzimos os custos computacionais, nós modelamos somente a parte principal da proteína, que está obtendo em contacto com a superfície que nós estamos modelando,” Ebrahimi dissemos. “Mas outra vez, é um sistema grande a simular e não pode ser feito em um sistema ordinário ou em uns computadores ordinários.”

A equipe computacional no MIT usou o pacote da dinâmica molecular chamado Gromacs, um software para a simulação química disponível nos super-computadores do debandada e do cometa. “Nós poderíamos executar aquelas grandes simulações tendo o acesso a estes conjuntos computacionais de XSEDE,” disse Ebrahimi.

A computação combinada com a experimentação ajudou o trabalho avançado em desenvolver um modelo do osteoregeneration. “Nós propor um mecanismo em nosso trabalho que começos com a superfície da silicone-seda que activa um receptor específico da proteína da membrana de pilha, neste caso integrin αVβ3,” disse Martín-Moldes, adicionando que esta activação provoca uma cascata na pilha com três caminhos mitogen-ativados do kinsase (MAPK) da proteína, principal que é a cascata da quinase do N-terminal de c-Junho (JNK).

Outros factores são envolvidos igualmente neste processo tal como Runx2, o factor principal da transcrição relativo à osteogénese. De acordo com o estudo, o sistema de controlo não mostrou nenhuma resposta, e nenhuns fizeram o bloqueio do integrin usando um anticorpo, confirmando sua participação neste processo. Um “outro resultado importante era a correlação entre a quantidade de silicone depositada no filme e o nível de indução dos genes que nós analisamos,” disse Martín-Moldes. “Estes factores igualmente fornecem uma característica importante para controlar no projecto material futuro para matérias biológicos deformação.”

Os pesquisadores estão construindo um caminho para gerar os matérias biológicos que poderiam ser usados no futuro, com a mineralização que é um processo crítico. O objetivo final é desenvolver modelos que projecto da ajuda os matérias biológicos para aperfeiçoar o processo da regeneração do osso, quando o osso está exigido para o regenerar ou minimizar quando nós precisamos de reduzir a formação do osso.

Estes resultados ajudam o avanço a pesquisa e são úteis em esforços maiores para ajudar a curar e tratar doenças do osso. “Nós poderíamos ajudar em curar a doença relativa à formação do osso, tal como a doença calcificante da válvula aórtica ou a osteoporose, que nós precisamos de conhecer o caminho para controlar a quantidade de osso formada, a redu-la ou aumenta-,” Ebrahimi disse.