Algunos secretos para reparar nuestros esqueletos podrían encontrarse en las sedosas telarañas de las arañas, según experimentos recientes guiados por supercomputadoras. Los científicos involucrados dicen que sus resultados ayudarán a comprender los detalles de la osteoregeneración, o cómo se reparan los huesos.
El estudio publicado recientemente encontró que los genes podrían activarse en células madre humanas que inician la biomineralización, un paso clave en la formación ósea. Los científicos lograron estos resultados con seda de ingeniería derivada de la línea de arrastre de telas de araña tejedoras de orbes dorados, que combinaron con sílice. El estudio, publicado en septiembre de 2017 en la revista Materiales Funcionales Avanzadosfue el resultado de un esfuerzo combinado de tres instituciones: la Universidad de Tufts, el Instituto de Tecnología de Massachusetts y la Universidad de Nottingham Trent.
Los autores del estudio usaron las supercomputadoras Estampida en el Centro de Supercomputación Avanzada de Texas (TACC) en la Universidad de Texas en Austin y Cometa en el Centro de Supercomputadoras de San Diego (SDSC) en la Universidad de California en San Diego a través de una asignación de XSEDE, el Entorno de Descubrimiento de Ingeniería y Ciencia eXtreme que está financiado por la Fundación Nacional de Ciencias (NSF). Las supercomputadoras ayudaron a los científicos a modelar cómo el receptor de la proteína de la membrana celular llamado integrina se pliega y activa las vías intracelulares que conducen a la formación de hueso. La investigación ayudará a mayores esfuerzos para tratar enfermedades del crecimiento óseo como la osteoporosis o la enfermedad de la válvula aórtica calcificada.
«Este trabajo demuestra un vínculo directo entre los biomateriales a base de seda y sílice y las vías intracelulares que conducen a la osteogénesis», dijo la coautora del estudio Zaira Martín-Moldes, becaria postdoctoral en el Kaplan Lab de la Universidad de Tufts que investiga el desarrollo de nuevos biomateriales basados en sobre seda. «El material híbrido promovió la diferenciación de células madre mesenquimales humanas, las células progenitoras de la médula ósea, a osteoblastos como indicador de osteogénesis o formación de tejido similar al hueso».
La seda ha demostrado ser un andamio adecuado para la regeneración de tejidos, debido a sus excelentes propiedades mecánicas, explicó Martín-Moldes. Es biodegradable. Es biocompatible. Y se puede ajustar mediante modificaciones de bioingeniería. El equipo experimental de la Universidad de Tufts modificó la secuencia genética de la seda de las arañas tejedoras orbe doradas (Nephila clavipes) y fusionaron el péptido promotor de sílice R5 derivado de un gen de la diatomea Cylindrotheca fusiformis silafina.
El estudio de formación ósea se centró en la biomineralización, un proceso crítico en la biología de los materiales. «Nos encantaría generar un modelo que nos ayude a predecir y modular estas respuestas tanto en términos de prevenir la mineralización como de promoverla», dijo Martín-Moldes.
«Se utilizan simulaciones de supercomputación de alto rendimiento junto con enfoques experimentales para desarrollar un modelo para la activación de la integrina, que es el primer paso en el proceso de formación de hueso», dijo el coautor del estudio Davoud Ebrahimi, asociado postdoctoral en el Laboratorio de Atomística y Mecánica Molecular del Instituto Tecnológico de Massachusetts.
La integrina se incrusta en la membrana celular y media las señales entre el interior y el exterior de las células. En su estado inactivo, la unidad principal que sobresale de la membrana se inclina como un durmiente que cabecea. Este estado inactivo impide la adhesión celular. En su estado activado, la unidad principal se endereza y está disponible para la unión química en su región de ligando expuesta.
«El muestreo de diferentes estados de la conformación de las integrinas en contacto con superficies silicificadas o no silicificadas podría predecir la activación de la vía», dijo Ebrahimi. El muestreo del plegamiento de proteínas sigue siendo un problema computacionalmente caro clásico, a pesar de los grandes esfuerzos recientes en el desarrollo de nuevos algoritmos.
La quimera derivada de seda y sílice que estudiaron pesaba alrededor de 40 kilodaltons. «En esta investigación, lo que hicimos para reducir los costos computacionales, solo modelamos la cabeza de la proteína, que se pone en contacto con la superficie que estamos modelando», dijo Ebrahimi. «Pero de nuevo, es un gran sistema para simular y no se puede hacer en un sistema ordinario o en computadoras ordinarias».
El equipo computacional del MIT utilizó el paquete de dinámica molecular llamado Gromacs, un software de simulación química disponible tanto en el Estampida y Cometa supercomputadoras «Podríamos realizar esas grandes simulaciones al tener acceso a estos grupos computacionales XSEDE», dijo Ebrahimi.
La computación combinada con la experimentación ayudó a avanzar en el trabajo de desarrollo de un modelo de osteoregeneración. “Proponemos en nuestro trabajo un mecanismo que comienza con la activación de la superficie de sílice-seda de un receptor de proteína de membrana celular específico, en este caso la integrina αVβ3”, dijo Martín-Moldes, y agregó que esta activación desencadena una cascada en la célula a través de tres mitógenos. las vías de la proteína quinasa activada (MAPK), siendo la principal la cascada de la quinasa N-terminal (JNK) c-Jun.
En este proceso también intervienen otros factores como Runx2, el principal factor de transcripción relacionado con la osteogénesis. Según el estudio, el sistema de control no mostró ninguna respuesta, y tampoco el bloqueo de la integrina mediante un anticuerpo, lo que confirma su participación en este proceso. “Otro resultado importante fue la correlación entre la cantidad de sílice depositada en la película y el nivel de inducción de los genes que analizamos”, dice Martín-Moldes. «Estos factores también brindan una característica importante para controlar en el futuro diseño de materiales para biomateriales formadores de huesos».
Los investigadores están construyendo un camino para generar biomateriales que podrían usarse en el futuro, siendo la mineralización un proceso crítico. El objetivo final es desarrollar modelos que ayuden a diseñar los biomateriales para optimizar el proceso de regeneración ósea, cuando se requiere que el hueso se regenere o minimizarlo cuando necesitamos reducir la formación ósea.
Estos resultados ayudan a avanzar en la investigación y son útiles en esfuerzos más grandes para ayudar a curar y tratar enfermedades óseas. «Podríamos ayudar a curar enfermedades relacionadas con la formación de hueso, como la enfermedad de la válvula aórtica calcificada o la osteoporosis, para lo cual necesitamos conocer la vía para controlar la cantidad de hueso formado, ya sea para reducirlo o aumentarlo», dijo Ebrahimi.
