Wissenschaftler von Scripps Research haben ein neues Software-Tool zur Untersuchung von RNA-Molekülen (Ribonukleinsäure) vorgestellt, die eine Vielzahl entscheidender Rollen in Organismen spielen. Die Open-Source-App „Pytheas“, beschrieben am 3. Mai 2022 in Naturkommunikation, beschleunigt den Prozess der Charakterisierung und Quantifizierung von RNAs in der Grundlagenforschung und Arzneimittelentwicklung.
Die App wurde speziell entwickelt, um RNA-Daten zu analysieren, die durch eine Methode namens Massenspektrometrie generiert wurden. „Massenspezifikation“ wird üblicherweise verwendet, um RNA-Moleküle zu bewerten, die keine einfachen Ketten von Standard-RNA-Nukleotiden sind, sondern stattdessen auf irgendeine Weise modifiziert sind. Unter ihren Demonstrationen zeigten die Forscher, dass Pytheas verwendet werden kann, um modifizierte RNA-Moleküle wie die in den aktuellen mRNA-Impfstoffen von Pfizer und Moderna COVID-19 schnell zu identifizieren und zu quantifizieren.
„Die Analyse von RNA-Daten aus der Massenspektrometrie war ein relativ mühsamer Prozess, dem die Werkzeuge fehlten, die in anderen Bereichen der biologischen Forschung zu finden sind, und daher ist es unser Ziel, mit Pytheas das Feld ins 21. Jahrhundert zu führen“, sagt der leitende Autor der Studie, James Williamson , Ph.D., Professor in der Abteilung für integrative Struktur- und Computerbiologie und Vizepräsident für Forschung und akademische Angelegenheiten bei Scripps Research.
Die Erstautoren der Studie waren Luigi D’Ascenzo, Ph.D., und Anna Popova, Ph.D., jeweils Postdoktorand und Mitarbeiter im Williamson-Labor während der Studie.
RNA ist DNA chemisch sehr ähnlich, und RNA-Moleküle in Zellen sind stark am Prozess der Übersetzung von Genen in Proteine sowie an der Feinabstimmung der Genaktivität beteiligt. Darüber hinaus gelten RNA-basierte Therapeutika – zu denen die Impfstoffe von Pfizer und Moderna gehören – als eine vielversprechende neue Klasse von Medikamenten, die im Prinzip in der Lage sind, ihre biologischen Ziele wirksamer und selektiver zu treffen als herkömmliche niedermolekulare Medikamente.
Ein gängiges Werkzeug zum Nachweis von RNA-Molekülen, die chemische Modifikationen aufweisen, ist die Massenspektrometrie, die im Wesentlichen dazu verwendet werden kann, die RNAs und ihre Modifikationen anhand ihrer Massen zu erkennen. Natürliche RNAs weisen häufig Modifikationen auf, die ihre Funktionen beeinflussen, während RNAs, die für Impfstoffe und RNA-basierte Medikamente verwendet werden, fast immer künstlich modifiziert werden, um ihre Aktivität zu optimieren und Nebenwirkungen zu reduzieren. Bisherige Verfahren zur Verarbeitung von Massenspektrometrie-Rohdaten an modifizierten RNAs sind relativ langsam und manuell – also sehr arbeitsintensiv – im Gegensatz zu entsprechenden Verfahren beispielsweise auf dem Gebiet der Proteinanalyse.
Williamson und sein Team haben Pytheas entwickelt, das auf der Programmiersprache Python basiert, um die Automatisierung dieser Verarbeitung erheblich zu verbessern. Die App verwendet Massenspezifikationsdaten einer RNA-Probe als Eingabe und gibt die vorhergesagten RNA-Sequenzen und chemischen Modifikationen so aus, dass es auch einfach ist, verschiedene RNAs in einer Probe zu quantifizieren.
Das Team demonstrierte die Geschwindigkeit, Genauigkeit und Vielseitigkeit von Pytheas anhand von Massenspektrometerdaten für wichtige Bakterien- und Hefe-RNAs sowie für SARS-CoV-2-Spike-Protein-Messenger-RNAs, wie sie in den COVID-19-Impfstoffen von Pfizer und Moderna verwendet werden.
„Wir hoffen, dass Unternehmen, die an der Herstellung von RNA-Impfstoffen und anderen RNA-Therapeutika beteiligt sind, Pytheas nützlich finden werden, beispielsweise bei der Überwachung der Qualität ihrer Produkte“, sagt Williamson.
Die Forscher verwenden Pytheas nun für ihre Untersuchungen natürlicher RNAs und optimieren die Software weiter.
Pytheas ist im Github-Software-Repository frei verfügbar.
„Pytheas: ein Softwarepaket für die automatisierte Analyse von RNA-Sequenzen und -Modifikationen mittels Tandem-Massenspektrometrie“ wurde gemeinsam von Luigi D’Ascenzo, Anna Popova, Scott Abernathy, Kai Sheng, Patrick Limbach und James Williamson, alle von Scripps Research, verfasst .
Luigi D’Ascenzo et al, Pytheas: ein Softwarepaket für die automatisierte Analyse von RNA-Sequenzen und -Modifikationen mittels Tandem-Massenspektrometrie, Naturkommunikation (2022). DOI: 10.1038/s41467-022-30057-5