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Las membranas sedosas de arañas pueden llevar a cabo secretos a reparar nuestros esqueletos

Algunos secretos a reparar nuestros esqueletos se pudieron encontrar en las membranas sedosas de arañas, según los experimentos recientes conducidos por los superordenadores. Los científicos implicados dicen que sus resultados ayudarán a entender los detalles del osteoregeneration, o cómo los huesos se reparan.

El estudio recientemente publicado encontró que los genes se podrían activar en las células madres humanas que el biomineralization iniciado, un paso dominante en la formación del hueso. Los científicos lograron estos resultados con la seda dirigida derivada de la red de arrastre de las membranas de araña de oro del tejedor del orbe, que combinaron con el sílice. El estudio, publicado en septiembre de 2017 en el gorrón avance los materiales funcionales, era el resultado de un esfuerzo combinado a partir de tres instituciones: Universidad de los penachos, Massachusetts Institute of Technology, y universidad de Nottingham Trent.

Los autores del estudio utilizaron la precipitación de los superordenadores en el centro avance Tejas de la superinformática (TACC) en la Universidad de Texas en Austin y el cometa en el centro del superordenador de San Diego (SDSC) en la Universidad de California San Diego con una dotación de XSEDE, de la ciencia extrema y del ambiente del descubrimiento de la ingeniería que es financiado por el National Science Foundation (NSF). Los superordenadores ayudaron al modelo de los científicos cómo el receptor de la proteína de la membrana celular llamó dobleces del integrin y activa los caminos intracelulares que llevan para deshuesar la formación. La investigación ayudará a esfuerzos más grandes de tratar enfermedades del incremento del hueso tales como osteoporosis o enfermedad calcífica de la válvula aórtica.

“Este trabajo demuestra un enlace directo entre los biomateriales seda-sílice-basados y los caminos intracelulares que llevan a la osteogénesis,” dijo al co-autor Zaira Martín-Moldes, escolar postdoctoral del estudio en el laboratorio de Kaplan en la universidad de los penachos que investiga el revelado de los nuevos biomateriales basados en la seda. “El material híbrido ascendió la diferenciación de las células madres mesenquimales humanas, las células del progenitor de la médula, a los osteoblasts como indicador de la osteogénesis, o hueso-como la formación del tejido.”

La seda se ha mostrado para ser un andamio conveniente para la regeneración del tejido, debido a sus propiedades mecánicas excepcionales, Martín-Moldes explicó. Es biodegradable. Es biocompatible. Y es fino-armoniosa con modificaciones de la bioingeniería. Las personas experimentales en la universidad de los penachos modificaron la serie genética de la seda de las arañas de oro del tejedor del orbe (clavipes de Nephila) y fundieron el péptido sílice-que ascendía R5 derivado de un gen del silaffin de los fusiformis de Cylindrotheca de la diatomea.

El estudio de la formación del hueso apuntó el biomineralization, un proceso crítico en biología de los materiales. “Amaríamos generar un modelo que nos ayuda a predecir y a modular estas reacciones en términos de prevención de la mineralización y también a ascenderlas,” Martín-Moldes dijimos.

Las “simulaciones de alto rendimiento de la superinformática se utilizan junto con aproximaciones experimentales para desarrollar un modelo para la activación del integrin, que es el primer paso en el proceso de la formación del hueso,” dijeron al co-autor Davoud Ebrahimi, socio postdoctoral del estudio en el laboratorio para los mecánicos atomísticos y moleculares de Massachusetts Institute of Technology.

Integrin se embute en la membrana celular y media señales entre el interior y el exterior de células. En su estado inactivo, la unidad principal que adhiere fuera de la membrana está doblada encima como un durmiente de cabeceo. Este estado inactivo previene la adherencia celular. En su estado activado, la unidad principal se endereza fuera y está disponible para la substancia química que ata en su región expuesta del ligand.

El “muestreo de diversos estados de la conformación de integrins en contacto con superficies silicified o non-silicified podría predecir la activación del camino,” dijo a Ebrahimi. El muestreo del plegamiento de proteínas sigue siendo clásico de cómputo un problema costoso, a pesar de esfuerzos recientes y grandes en desarrollar nuevos algoritmos.

La quimera derivada del seda-sílice que estudiaron pesado hacia adentro alrededor de 40 kilodaltons fuertes. “En esta investigación, qué para redujimos los costos de cómputo, hemos modelado solamente el pedazo principal de la proteína, que está consiguiendo en contacto con la superficie que estamos modelando,” Ebrahimi dijimos. “Pero otra vez, es un sistema grande a simular y no puede ser hecho en un sistema ordinario o computadores ordinarias.”

Las personas de cómputo en el MIT utilizaron el empaquetar de la dinámica molecular llamado Gromacs, un software para la simulación química disponible en los superordenadores de la precipitación y del cometa. “Podríamos realizar esas simulaciones grandes teniendo acceso a estos atados de cómputo de XSEDE,” dijo a Ebrahimi.

El cómputo combinado con la experimentación ayudó al trabajo anticipado en desarrollar un modelo del osteoregeneration. “Proponemos un mecanismo en nuestro trabajo que comience con la superficie de la sílice-seda que activa un receptor específico de la proteína de la membrana celular, en este caso el integrin αVβ3,” dijo a Martín-Moldes, agregando que esta activación acciona una cascada en la célula con tres caminos mitógeno-activados del kinsase (MAPK) de la proteína, el principal que era la cascada de la cinasa de la N-terminal de c-Junio (JNK).

Otros factores también están implicados en este proceso tal como Runx2, el factor principal de la transcripción relacionado con la osteogénesis. Según el estudio, el sistema de mando no mostró ninguna reacción, y ninguno hizo el bloqueo del integrin usando un anticuerpo, confirmando su implicación en este proceso. “Otro resultado importante era la correlación entre la cantidad de sílice depositada en la película y el nivel de inducción de los genes que analizábamos,” dijo a Martín-Moldes. “Estos factores también ofrecen una característica importante para controlar en el diseño material futuro para los biomateriales de hueso-formación.”

Los investigadores están construyendo un camino para generar los biomateriales que se podrían utilizar en el futuro, con la mineralización siendo un proceso crítico. El objetivo final es desarrollar modelos que diseño de la ayuda los biomateriales para optimizar el proceso de la regeneración del hueso, cuando el hueso se requiere para regenerarlo o para disminuir cuando necesitamos reducir la formación del hueso.

Estos resultados ayudan a avance la investigación y son útiles en esfuerzos más grandes de ayudar a curar y a tratar enfermedades del hueso. “Podríamos ayudar en el curado de la enfermedad relacionada con la formación del hueso, tal como enfermedad calcífica de la válvula aórtica o la osteoporosis, que necesitamos para conocer el camino para controlar la cantidad de hueso formada, a la reduce o aumenta,” Ebrahimi dijo.