Einem internationalen Forschungsteam unter Leitung der Universität Wien ist es gelungen, eine neue Version von RNA-Bausteinen mit höherer chemischer Reaktivität und Lichtempfindlichkeit zu entwickeln. Damit lässt sich die Produktionszeit von RNA-Chips für die biotechnologische und medizinische Forschung deutlich verkürzen.
Die chemische Synthese dieser Chips ist nun doppelt so schnell und siebenmal effizienter. Die Ergebnisse der Forschung waren veröffentlicht In Fortschritte der Wissenschaft.
Das Aufkommen und die Zulassung RNA-basierter medizinischer Produkte, wie etwa mRNA-Impfstoffe während der COVID-19-Pandemie, hat das RNA-Molekül ins Blickfeld der Öffentlichkeit gerückt.
RNA (Ribonukleinsäure) ist ein informationstragender Polymer – eine chemische Verbindung aus ähnlichen Untereinheiten – die jedoch eine weitaus größere strukturelle und funktionelle Vielfalt als DNA aufweist.
Vor etwa 40 Jahren wurde eine Methode zur chemischen Synthese von DNA und RNA entwickelt, bei der mit Hilfe der Phosphoramiditchemie jede beliebige Sequenz aus DNA- oder RNA-Bausteinen zusammengesetzt werden kann.
Der Zusammenbau einer Nukleinsäurekette erfolgt Schritt für Schritt mithilfe dieser speziellen chemischen Bausteine (Phosphoramidite). Jeder Baustein trägt chemische „Schutzgruppen“, die unerwünschte Reaktionen verhindern und die Bildung eines natürlichen Bindeglieds in der Nukleinsäurekette gewährleisten.
Herausforderungen meistern
Dieses chemische Verfahren wird auch bei der Herstellung von Mikrochips (Microarrays) eingesetzt, bei denen Millionen einzigartiger Sequenzen gleichzeitig auf einer festen Oberfläche von der Größe eines Fingernagels synthetisiert und analysiert werden können. Während DNA-Microarrays bereits weit verbreitet sind, hat sich die Anpassung der Technologie an RNA-Microarrays aufgrund der geringeren Stabilität von RNA als schwierig erwiesen.
An der Universität Wien wurde 2018 demonstriert, wie sich hochverdichtete RNA-Chips mittels Photolithografie herstellen lassen: Durch die gezielte Positionierung eines Lichtstrahls lassen sich auf der Oberfläche durch eine photochemische Reaktion Bereiche für die Anheftung des nächsten Bausteins vorbereiten.
Obwohl dieser erste Bericht weltweit einzigartig war und bis heute unübertroffen ist, litt die Methode unter langen Produktionszeiten, niedrigen Erträgen und mangelnder Stabilität. Dieser Ansatz wurde inzwischen erheblich verbessert.
Entwicklung einer neuen Generation von RNA-Bausteinen
Ein Team vom Institut für Anorganische Chemie der Universität Wien hat nun in Zusammenarbeit mit dem Max Mousseron Institut für Biomoleküle der Universität Montpellier (Frankreich) eine neue Version von RNA-Bausteinen mit höherer chemischer Reaktivität und Lichtempfindlichkeit entwickelt.
Dieser Fortschritt verkürzt die Produktionszeit von RNA-Chips erheblich und macht die Synthese doppelt so schnell und siebenmal effizienter. Mit den innovativen RNA-Chips können Millionen von RNA-Kandidaten auf wertvolle Sequenzen für ein breites Anwendungsspektrum durchsucht werden.
„Die Herstellung von RNA-Microarrays mit funktionellen RNA-Molekülen war mit unserem früheren Aufbau schlicht unerreichbar. Mit diesem verbesserten Verfahren unter Verwendung der Propionyloxymethyl-Schutzgruppe (PrOM) ist dies nun jedoch möglich“, sagt Jory Lietard, Assistenzprofessor am Institut für Anorganische Chemie.
Als direkte Anwendung dieser verbesserten RNA-Chips enthält die Veröffentlichung eine Studie über RNA-Aptamere, kleine Oligonukleotide, die spezifisch an ein Zielmolekül binden.
Es wurden zwei „leuchtende“ Aptamere ausgewählt, die bei Bindung an einen Farbstoff Fluoreszenz erzeugen, und Tausende von Varianten dieser Aptamere wurden auf dem Chip synthetisiert. Ein einziges Bindungsexperiment genügt, um Daten über alle Varianten gleichzeitig zu erhalten, was den Weg für die Identifizierung verbesserter Aptamere mit besseren diagnostischen Eigenschaften ebnet.
„Hochwertige RNA-Chips könnten besonders im schnell wachsenden Bereich der nicht-invasiven Molekulardiagnostik wertvoll sein. Neue und verbesserte RNA-Aptamere sind dringend erforderlich, beispielsweise solche, die Hormonspiegel in Echtzeit verfolgen oder andere biologische Marker direkt aus Schweiß oder Speichel überwachen können“, sagt Tadija Kekić, Doktorandin in der Gruppe von Jory Lietard.
Mehr Informationen:
Tadija Kekić et al, Beschleunigte, hochwertige photolithographische Synthese von RNA-Microarrays in situ, Wissenschaftliche Fortschritte (2024). DOI: 10.1126/sciadv.ado6762. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado6762