XSEDE-supercomputertildelinger på Stampede1 og Comet hjælper med at prøve proteinfoldning i knogleregenereringsstudie

Nogle hemmeligheder til at reparere vores skeletter kan findes i de silkebløde spind af edderkopper, ifølge nyere eksperimenter styret af supercomputere. De involverede forskere siger, at deres resultater vil hjælpe med at forstå detaljerne om osteoregeneration, eller hvordan knogler regenereres.

En undersøgelse viste, at gener kunne aktiveres i menneskelige stamceller, der initierer biomineralisering, et nøgletrin i knogledannelsen. Forskere opnåede disse resultater med konstrueret silke afledt af træklinjen af ​​gyldne kuglevæver edderkoppespind, som de kombinerede med silica. Undersøgelsen udkom september 2017 i tidsskriftet Avancerede funktionelle materialer og har været resultatet af den samlede indsats fra tre institutioner:Tufts University, Massachusetts Institute of Technology og Nottingham Trent University.

Undersøgelsesforfattere brugte supercomputerne Stampede1 ved Texas Advanced Computing Center (TACC) ved University of Texas i Austin og Comet ved San Diego Supercomputer Center (SDSC) ved University of California San Diego gennem en tildeling fra XSEDE, eXtreme Science and Engineering Discovery Environment, finansieret af National Science Foundation. Supercomputerne hjalp forskerne med at modellere, hvordan cellemembranproteinreceptoren kaldet integrin folder og aktiverer de intracellulære veje, der fører til knogledannelse. Forskningen vil hjælpe en større indsats for at helbrede knoglevækstsygdomme såsom osteoporose eller calcific aortaklapsygdom.

"Dette arbejde viser en direkte forbindelse mellem silke-silica-baserede biomaterialer og intracellulære veje, der fører til osteogenese, " sagde studie medforfatter Zaira Martín-Moldes, en post-doc stipendiat ved Kaplan Lab ved Tufts University. Hun forsker i udviklingen af ​​nye biomaterialer baseret på silke. "Hybridmaterialet fremmede differentieringen af ​​humane mesenkymale stamceller, stamceller fra knoglemarven, til osteoblaster som en indikator for osteogenese, eller knoglelignende vævsdannelse, " sagde Martín-Moldes.

"Silke har vist sig at være et velegnet stillads til vævsregenerering, på grund af dets fremragende mekaniske egenskaber, " Martín-Moldes forklarede. Det er biologisk nedbrydeligt. Det er biokompatibelt. Og det kan finjusteres gennem biotekniske modifikationer. Eksperimentholdet på Tufts University modificerede den genetiske sekvens af silke fra gyldne orb-væveredderkopper (Nephila clavipes) og fusionerede det silica-fremmende peptid R5 afledt af et gen fra kiselalgen Cylindrotheca fusiformis silaffin.

Knogledannelsesundersøgelsen målrettede biomineralisering, en kritisk proces i materialebiologi. "Vi ville elske at generere en model, der hjælper os med at forudsige og modulere disse reaktioner både med hensyn til at forhindre mineraliseringen og også for at fremme den, " sagde Martín-Moldes.

"Høj ydeevne supercomputing simuleringer bruges sammen med eksperimentelle tilgange til at udvikle en model for integrin aktivering, som er det første trin i knogledannelsesprocessen, " sagde undersøgelsens medforfatter Davoud Ebrahimi, en postdoc ved Laboratory for Atomistic and Molecular Mechanics ved Massachusetts Institute of Technology.

Integrin indlejrer sig i cellemembranen og formidler signaler mellem indersiden og ydersiden af ​​celler. I sin sovende tilstand, hovedenheden, der stikker ud af membranen, er bøjet som en nikkende sovende. Denne inaktive tilstand forhindrer cellulær adhæsion. I sin aktiverede tilstand, hovedenheden retter sig ud og er tilgængelig til kemisk binding ved dens eksponerede ligandregion.

"Sampling af forskellige tilstande af konformationen af ​​integriner i kontakt med silicificerede eller ikke-silicificerede overflader kunne forudsige aktivering af pathwayen, " Ebrahimi forklarede. Prøvetagning af foldning af proteiner er stadig et klassisk beregningsmæssigt dyrt problem, trods nyere og store bestræbelser på at udvikle nye algoritmer.

Den afledte silke-silica kimær, de studerede, vejede omkring 40 kilodalton. "I denne undersøgelse, hvad vi gjorde for at reducere beregningsomkostningerne, vi har kun modelleret hovedstykket af proteinet, som kommer i kontakt med overfladen, som vi modellerer, " sagde Ebrahimi. "Men igen, det er et stort system at simulere og kan ikke udføres på et almindeligt system eller almindelige computere."

Computational-teamet på MIT brugte den molekylære dynamikpakke kaldet Gromacs, en software til kemisk simulering tilgængelig på både Stampede1- og Comet-supercomputersystemerne. "Vi kunne udføre de store simuleringer ved at have adgang til XSEDE-beregningsklynger, " han sagde.

"Jeg har en meget langvarig positiv erfaring med at bruge XSEDE-ressourcer, " sagde Ebrahimi. "Jeg har brugt dem i næsten 10 år nu til mine projekter i løbet af mine kandidat- og postdoktorale erfaringer. Og personalet hos XSEDE er virkelig hjælpsomme, hvis du støder på problemer. Hvis du har brug for software, der skal installeres, og det ikke er tilgængeligt, de hjælper og guider dig gennem processen med at lave din research. Jeg kan huske, at jeg udvekslede en masse e-mails første gang, jeg prøvede at bruge klyngerne, og jeg var ikke så bekendt. Jeg fik meget hjælp fra XSEDE-ressourcer og folk hos XSEDE. Jeg sætter virkelig pris på den tid og indsats, de bruger for at løse beregningsproblemer, som vi normalt støder på under vores simulering, " reflekterede Ebrahimi.

Beregning kombineret med eksperimenter hjalp med at fremme arbejdet med at udvikle en model for osteoregeneration. "Vi foreslår en mekanisme i vores arbejde, " forklarede Martín-Moldes, "der starter med, at silica-silkeoverfladen aktiverer en specifik cellemembranproteinreceptor, i dette tilfælde integrin αVβ3." Hun sagde, at denne aktivering udløser en kaskade i cellen gennem tre mitogen-aktiverede proteinkinsase (MAPK) veje, den vigtigste er c-Jun N-terminal kinase (JNK) kaskaden.

Hun tilføjede, at andre faktorer også er involveret i denne proces, såsom Runx2, den vigtigste transkriptionsfaktor relateret til osteogenese. Ifølge undersøgelsen kontrolsystemet viste ingen reaktion, og heller ikke blokeringen af ​​integrin ved hjælp af et antistof, bekræfter sin deltagelse i denne proces. "Et andet vigtigt resultat var korrelationen mellem mængden af ​​silica aflejret i filmen og niveauet af induktion af de gener, som vi analyserede, " sagde Martín-Moldes. "Disse faktorer giver også en vigtig funktion til kontrol i fremtidigt materialedesign til knogledannende biomaterialer."

"Vi laver en grundforskning her med vores silke-silica-systemer, " Martín-Moldes forklarede. "Men vi hjælper med at bygge vejen til at generere biomaterialer, der kan bruges i fremtiden. Mineraliseringen er en kritisk proces. Det endelige mål er at udvikle disse modeller, der hjælper med at designe biomaterialerne for at optimere knogleregenereringsprocessen, når knoglen skal regenereres eller minimere den, når vi skal reducere knogledannelsen."

Disse resultater hjælper med at fremme forskningen og er nyttige i større bestræbelser på at hjælpe med at helbrede og behandle knoglesygdomme. "Vi kunne hjælpe med at helbrede sygdomme relateret til knogledannelse, såsom calcific aortaklapsygdom eller osteoporose, som vi har brug for at kende vejen til at kontrollere mængden af ​​dannet knogle, enten at reducere eller øge den, sagde Ebrahimi.