Alguns segredos para consertar nossos esqueletos podem ser encontrados nas teias de seda das aranhas, de acordo com experimentos recentes guiados por supercomputadores. Os cientistas envolvidos dizem que seus resultados ajudarão a entender os detalhes da osteorregeneração, ou como os ossos se regeneram.

Um estudo descobriu que os genes podem ser ativados em células-tronco humanas que iniciam a biomineralização, uma etapa fundamental na formação óssea. Os cientistas alcançaram esses resultados com a seda projetada derivada da linha de arrasto de teias de aranha do tecelão de orbe dourada, que combinaram com sílica. O estudo apareceu em setembro de 2017 na revista Materiais Funcionais Avançados e foi o resultado do esforço combinado de três instituições:Tufts University, Massachusetts Institute of Technology e Nottingham Trent University.

Os autores do estudo usaram os supercomputadores Stampede1 no Texas Advanced Computing Center (TACC) da Universidade do Texas em Austin e o Comet no San Diego Supercomputer Center (SDSC) da Universidade da Califórnia em San Diego por meio de uma alocação do XSEDE, o eXtreme Science and Engineering Discovery Environment, financiado pela National Science Foundation. Os supercomputadores ajudaram os cientistas a modelar como o receptor de proteína da membrana celular chamado integrina se dobra e ativa as vias intracelulares que levam à formação óssea. A pesquisa ajudará a esforços maiores para curar doenças do crescimento ósseo, como osteoporose ou doença da válvula aórtica calcificada.

"Este trabalho demonstra uma ligação direta entre biomateriais à base de seda-sílica e vias intracelulares que levam à osteogênese, "disse a co-autora do estudo Zaira Martín-Moldes, bolsista de pós-doutorado no Kaplan Lab da Tufts University. Ela pesquisa o desenvolvimento de novos biomateriais à base de seda. "O material híbrido promoveu a diferenciação de células-tronco mesenquimais humanas, as células progenitoras da medula óssea, aos osteoblastos como um indicador de osteogênese, ou formação de tecido semelhante ao osso, "Disse Martín-Moldes.

"A seda demonstrou ser um suporte adequado para a regeneração de tecidos, devido às suas excelentes propriedades mecânicas, "Martín-Moldes explicou. É biodegradável. É biocompatível. E pode ser ajustado por meio de modificações de bioengenharia. A equipe experimental da Universidade Tufts modificou a sequência genética da seda de aranhas douradas (Nephila clavipes) e fundiu o peptídeo promotor de sílica R5 derivado de um gene da diatomácea Cylindrotheca fusiformis silaffin.

O estudo de formação óssea objetivou a biomineralização, um processo crítico em biologia de materiais. “Gostaríamos muito de gerar um modelo que nos ajudasse a prever e modular essas respostas tanto em termos de prevenção da mineralização quanto para promovê-la, "Disse Martín-Moldes.

"Simulações de supercomputação de alto desempenho são utilizadas junto com abordagens experimentais para desenvolver um modelo para a ativação da integrina, que é a primeira etapa no processo de formação óssea, "disse o co-autor do estudo Davoud Ebrahimi, um pós-doutorado associado no Laboratório de Mecânica Atomística e Molecular do Instituto de Tecnologia de Massachusetts.

A integrina se insere na membrana celular e medeia os sinais entre o interior e o exterior das células. Em seu estado dormente, a unidade principal que se projeta para fora da membrana é dobrada como um dorminhoco que balança a cabeça. Este estado inativo impede a adesão celular. Em seu estado ativado, a unidade principal se endireita e fica disponível para ligação química em sua região de ligante exposta.

"Amostrar diferentes estados de conformação das integrinas em contato com superfícies silicificadas ou não silicificadas pode prever a ativação da via, "Ebrahimi explicou. A amostragem do enovelamento de proteínas continua sendo um problema classicamente caro do ponto de vista computacional, apesar dos esforços recentes e grandes no desenvolvimento de novos algoritmos.

A quimera de sílica-seda derivada que eles estudaram pesava cerca de 40 quilodaltons. "Nesta pesquisa, o que fizemos para reduzir os custos computacionais, modelamos apenas o pedaço da cabeça da proteína, que é entrar em contato com a superfície que estamos modelando, "Ebrahimi disse." Mas, novamente, é um grande sistema para simular e não pode ser feito em um sistema comum ou em computadores comuns. "

A equipe de computação do MIT usou o pacote de dinâmica molecular chamado Gromacs, um software para simulação química disponível nos sistemas de supercomputação Stampede1 e Comet. "Poderíamos realizar essas grandes simulações tendo acesso a clusters computacionais XSEDE, " ele disse.

"Tenho uma experiência positiva de longa data usando os recursos do XSEDE, "disse Ebrahimi." Eu os tenho usado por quase 10 anos para meus projetos durante minhas experiências de graduação e pós-doutorado. E os funcionários do XSEDE são realmente úteis se você encontrar quaisquer problemas. Se você precisa de um software que deve ser instalado e não está disponível, eles ajudam e orientam você durante o processo de fazer sua pesquisa. Lembro-me de trocar muitos e-mails na primeira vez que tentei usar os clusters, e eu não era tão familiarizado. Tive muita ajuda dos recursos do XSEDE e do pessoal do XSEDE. Eu realmente aprecio o tempo e esforço que eles colocam para resolver problemas computacionais que geralmente encontramos durante nossa simulação, "Ebrahimi refletiu.

A computação combinada com a experimentação ajudou a avançar no trabalho de desenvolvimento de um modelo de osteorregeneração. “Propomos um mecanismo em nosso trabalho, "explicou Martín-Moldes, "que começa com a superfície de seda-sílica ativando um receptor específico de proteína de membrana celular, neste caso integrina αVβ3. "Ela disse que esta ativação desencadeia uma cascata na célula através de três vias de proteína quinase ativada por mitogênio (MAPK), o principal sendo a cascata de quinase N-terminal c-Jun (JNK).

Ela acrescentou que outros fatores também estão envolvidos neste processo, como Runx2, o principal fator de transcrição relacionado à osteogênese. De acordo com o estudo, o sistema de controle não mostrou nenhuma resposta, e nem o bloqueio da integrina usando um anticorpo, confirmando o seu envolvimento neste processo. “Outro resultado importante foi a correlação entre a quantidade de sílica depositada no filme e o nível de indução dos genes que analisamos, "Martín-Moldes disse." Esses fatores também fornecem um recurso importante para controlar no futuro design de materiais para biomateriais formadores de osso ".

"Estamos fazendo uma pesquisa básica aqui com nossos sistemas de sílica-seda, Martín-Moldes explicou. “Mas estamos ajudando na construção do caminho para a geração de biomateriais que poderão ser usados ​​no futuro. A mineralização é um processo crítico. O objetivo final é desenvolver esses modelos que ajudem a projetar os biomateriais para otimizar o processo de regeneração óssea, quando o osso é necessário para regenerar ou para minimizá-lo quando precisamos reduzir a formação óssea. "

Esses resultados ajudam a avançar a pesquisa e são úteis em esforços maiores para ajudar a curar e tratar doenças ósseas. “Poderíamos ajudar na cura de doenças relacionadas à formação óssea, como doença valvular aórtica calcificada ou osteoporose, que precisamos saber o caminho para controlar a quantidade de osso formado, para reduzir ou aumentá-lo, Ebrahimi disse.