Några hemligheter för att reparera våra skelett kan hittas i spindlarnas silkeslena nät, enligt nya experiment styrda av superdatorer. Inblandade forskare säger att deras resultat kommer att hjälpa till att förstå detaljerna om osteoregeneration, eller hur ben regenereras.

En studie fann att gener kunde aktiveras i mänskliga stamceller som initierar biomineralisering, ett nyckelsteg i benbildningen. Forskare uppnådde dessa resultat med konstruerat silke som härletts från draglinan av spindelnät av gyllene orbvävare, som de kombinerade med kiseldioxid. Studien publicerades i september 2017 i tidskriften Avancerade funktionella material och har varit resultatet av den kombinerade ansträngningen från tre institutioner:Tufts University, Massachusetts Institute of Technology och Nottingham Trent University.

Studieförfattare använde superdatorerna Stampede1 vid Texas Advanced Computing Center (TACC) vid University of Texas i Austin och Comet vid San Diego Supercomputer Center (SDSC) vid University of California San Diego genom en tilldelning från XSEDE, eXtreme Science and Engineering Discovery Environment, finansierat av National Science Foundation. Superdatorerna hjälpte forskarna att modellera hur cellmembranets proteinreceptor som kallas integrinveck och aktiverar de intracellulära vägarna som leder till benbildning. Forskningen kommer att hjälpa större ansträngningar för att bota bentillväxtsjukdomar som osteoporos eller calcific aortaklaffsjukdom.

"Detta arbete visar en direkt koppling mellan silke-kiseldioxidbaserade biomaterial och intracellulära vägar som leder till osteogenes, " sa studiens medförfattare Zaira Martín-Moldes, en postdoktor vid Kaplan Lab vid Tufts University. Hon forskar om utvecklingen av nya biomaterial baserade på siden. "Hybridmaterialet främjade differentieringen av mänskliga mesenkymala stamceller, stamceller från benmärgen, till osteoblaster som en indikator på osteogenes, eller benliknande vävnadsbildning, " sa Martín-Moldes.

"Silke har visat sig vara en lämplig ställning för vävnadsregenerering, på grund av dess enastående mekaniska egenskaper, " Martín-Moldes förklarade. Det är biologiskt nedbrytbart. Det är biokompatibelt. Och det är finjusterbart genom biotekniska modifieringar. Experimentteamet vid Tufts University modifierade den genetiska sekvensen av silke från spindlar från gyllene orb-vävar (Nephila clavipes) och smälte samman den kiseldioxidfrämjande peptiden R5 härledd från en gen från kiselalgen Cylindrotheca fusiformis silaffin.

Benbildningsstudien var inriktad på biomineralisering, en kritisk process inom materialbiologi. "Vi skulle älska att skapa en modell som hjälper oss att förutsäga och modulera dessa svar både när det gäller att förhindra mineraliseringen och även för att främja den, " sa Martín-Moldes.

"Högpresterande superdatorsimuleringar används tillsammans med experimentella metoder för att utveckla en modell för integrinaktivering, vilket är det första steget i benbildningsprocessen, " sa studiens medförfattare Davoud Ebrahimi, en postdoktor vid Laboratory for Atomistic and Molecular Mechanics vid Massachusetts Institute of Technology.

Integrin bäddar in sig i cellmembranet och förmedlar signaler mellan insidan och utsidan av celler. I sitt vilande tillstånd, huvudenheten som sticker ut ur membranet är böjd som en nickande sovhytt. Detta inaktiva tillstånd förhindrar cellulär vidhäftning. I sitt aktiverade tillstånd, huvudenheten rätar ut och är tillgänglig för kemisk bindning vid dess exponerade ligandregion.

"Sampling av olika tillstånd av konformationen av integriner i kontakt med silicifierade eller icke-silicified ytor kan förutsäga aktivering av vägen, " förklarade Ebrahimi. Provtagning av proteinveckning är fortfarande ett klassiskt beräkningsmässigt dyrt problem, trots senaste och stora ansträngningar med att utveckla nya algoritmer.

Den härledda silkeskimären som de studerade vägde runt rejäla 40 kilodalton. "I denna forskning, vad vi gjorde för att minska beräkningskostnaderna, vi har bara modellerat huvuddelen av proteinet, som kommer i kontakt med ytan som vi modellerar, " sa Ebrahimi. "Men igen, det är ett stort system att simulera och kan inte göras på ett vanligt system eller vanliga datorer."

Beräkningsteamet vid MIT använde paketet för molekylär dynamik som heter Gromacs, en programvara för kemisk simulering tillgänglig på både Stampede1 och Comet superdatorsystem. "Vi skulle kunna utföra de stora simuleringarna genom att ha tillgång till XSEDE-beräkningskluster, " han sa.

"Jag har en mycket långvarig positiv erfarenhet av att använda XSEDE-resurser, " sa Ebrahimi. "Jag har använt dem i nästan 10 år nu för mina projekt under mina examens- och postdoktorala erfarenheter. Och personalen på XSEDE är verkligen hjälpsamma om du stöter på några problem. Om du behöver programvara som ska installeras och den inte är tillgänglig, de hjälper och vägleder dig genom processen att göra din forskning. Jag minns att jag utbytte många e-postmeddelanden första gången jag försökte använda klustren, och jag var inte så bekant. Jag fick mycket hjälp av XSEDE-resurser och människor på XSEDE. Jag uppskattar verkligen den tid och ansträngning som de lägger ner för att lösa beräkningsproblem som vi vanligtvis stöter på under vår simulering, " reflekterade Ebrahimi.

Beräkning i kombination med experiment hjälpte till att utveckla arbetet med att utveckla en modell för osteoregeneration. "Vi föreslår en mekanism i vårt arbete, " förklarade Martín-Moldes, "som börjar med att kisel-silkesytan aktiverar en specifik cellmembranproteinreceptor, i detta fall integrin αVβ3." Hon sa att denna aktivering utlöser en kaskad i cellen genom tre mitogenaktiverade proteinkinsas (MAPK) vägar, den huvudsakliga är c-Jun N-terminal kinas (JNK) kaskaden.

Hon tillade att andra faktorer också är involverade i denna process, såsom Runx2, den huvudsakliga transkriptionsfaktorn relaterad till osteogenes. Enligt studien, kontrollsystemet visade inget svar, och inte heller blockeringen av integrin med en antikropp, bekräftar dess deltagande i denna process. "Ett annat viktigt resultat var korrelationen mellan mängden kiseldioxid som deponerats i filmen och nivån av induktion av generna som vi analyserade, ", sa Martín-Moldes. "Dessa faktorer ger också en viktig funktion att kontrollera i framtida materialdesign för benbildande biomaterial."

"Vi gör en grundforskning här med våra silke-kiseldioxidsystem, " Martín-Moldes förklarade. "Men vi hjälper till att bygga vägen för att generera biomaterial som kan användas i framtiden. Mineraliseringen är en kritisk process. Det slutliga målet är att utveckla dessa modeller som hjälper till att designa biomaterialen för att optimera benregenereringsprocessen, när benet krävs för att regenerera eller för att minimera det när vi behöver minska benbildningen."

Dessa resultat hjälper till att främja forskningen och är användbara i större ansträngningar för att bota och behandla bensjukdomar. "Vi kan hjälpa till att bota sjukdomar relaterade till benbildning, såsom calcific aortaklaffsjukdom eller osteoporos, som vi behöver veta vägen för att kontrollera mängden ben som bildas, att antingen minska eller öka den, sa Ebrahimi.