Das RNA-Molekül wird allgemein als Bote zwischen DNA und Protein angesehen, aber es kann auch zu komplizierten molekularen Maschinen gefaltet werden. Ein Beispiel für eine natürlich vorkommende RNA-Maschine ist das Ribosom, das in allen Zellen als Proteinfabrik fungiert.
Inspiriert von natürlichen RNA-Maschinen haben Forscher des Interdisziplinären Nanowissenschaftszentrums (iNANO) eine Methode namens „RNA-Origami“ entwickelt, die es ermöglicht, künstliche RNA-Nanostrukturen zu entwerfen, die sich aus einem einzigen RNA-Stamm falten. Die Methode ist von der japanischen Papierfaltkunst Origami inspiriert, bei der ein einzelnes Stück Papier in eine bestimmte Form gefaltet werden kann, z. B. einen Papiervogel.
Gefrorene Falten geben neue Einblicke
Die Forschungsarbeit in Natur Nanotechnologie beschreibt, wie die RNA-Origami-Technik verwendet wurde, um RNA-Nanostrukturen zu entwerfen, die durch Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) an der dänischen nationalen Kryo-EM-Einrichtung EMBION charakterisiert wurden. Kryo-EM ist eine Methode zur Bestimmung der 3D-Struktur von Biomolekülen, bei der die Probe so schnell eingefroren wird, dass Wasser keine Zeit hat, Eiskristalle zu bilden, wodurch gefrorene Biomoleküle deutlicher mit dem Elektronenmikroskop beobachtet werden können.
Bilder von vielen tausend Molekülen können am Computer in eine 3D-Karte umgewandelt werden, die zum Aufbau eines atomaren Modells des Moleküls verwendet wird. Die Kryo-EM-Untersuchungen lieferten wertvolle Einblicke in die detaillierte Struktur der RNA-Origamis, was eine Optimierung des Designprozesses ermöglichte und zu idealeren Formen führte.
„Mit dem präzisen Feedback von Kryo-EM haben wir jetzt die Möglichkeit, unsere molekularen Designs zu verfeinern und immer kompliziertere Nanostrukturen zu konstruieren“, erklärt Ebbe Sloth Andersen, außerordentlicher Professor am iNANO, Universität Aarhus.
Das Video zeigt die zwei unterschiedlichen Formen desselben RNA-Moleküls und den vorgeschlagenen Übergang zwischen ihnen. Im ersten Teil des Videos ist ein Teil der zentralen „Kissing Loop“-Interaktion rot markiert. Im letzten Teil des Videos werden die Basenpaare der zentralen „Kissing Loop“-Wechselwirkung gezeigt, um hervorzuheben, wie sie während des Übergangs gebrochen und neu gebildet werden. Bildnachweis: Ewan KS McRae, Universität Aarhus
Entdeckung einer langsam faltbaren Falle
Es stellte sich heraus, dass Kryo-EM-Bilder einer RNA-Zylinderprobe zwei sehr unterschiedliche Formen enthielten, und durch das Einfrieren der Probe zu unterschiedlichen Zeiten wurde deutlich, dass ein Übergang zwischen den beiden Formen stattfand. Mit der Technik der Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS), bei der die Proben nicht gefroren sind, konnten die Forscher diesen Übergang in Echtzeit beobachten und fanden heraus, dass der Faltungsübergang nach ca. 10 Stunden.
Die Forscher hatten eine sogenannte „Faltfalle“ entdeckt, in der die RNA während der Transkription eingefangen und erst später freigesetzt wird.
„Es war ziemlich überraschend, ein RNA-Molekül zu entdecken, das sich so langsam zurückfaltet, da die Faltung normalerweise in weniger als einer Sekunde stattfindet“, sagt Jan Skov Pedersen, Professor am Department of Chemistry und iNANO, Universität Aarhus.
„Wir hoffen, ähnliche Mechanismen nutzen zu können, um RNA-Therapeutika zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort im Patienten zu aktivieren“, erklärt Ewan McRae, der Erstautor der Studie, der nun am „Centre for RNA“ eine eigene Forschungsgruppe gründet Therapeutics“ am Houston Methodist Research Institute in Texas, USA.
Konstruktion eines Nanosatelliten aus RNA
Um die Bildung komplexer Formen zu demonstrieren, kombinierten die Forscher RNA-Rechtecke und -Zylinder, um eine vom Hubble-Weltraumteleskop inspirierte „Nanosatelliten“-Form mit mehreren Domänen zu schaffen.
„Ich habe den Nanosatelliten als Symbol dafür entworfen, wie das RNA-Design es uns ermöglicht, den Faltungsraum (Möglichkeitsraum der Faltung) und den intrazellulären Raum zu erforschen, da der Nanosatellit in Zellen exprimiert werden kann“, sagt Cody Geary, Assistenzprofessor bei iNANO, der ursprünglich entwickelt hat die RNA-Origami-Methode.
Der Satellit erwies sich jedoch aufgrund seiner flexiblen Eigenschaften als schwierig mittels Kryo-EM zu charakterisieren, weshalb die Probe an ein Labor in den USA geschickt wurde, das sich auf die Bestimmung der 3D-Struktur einzelner Partikel durch Elektronentomographie, die sogenannte IPET, spezialisiert hat -Methode.
„Der RNA-Satellit war eine große Herausforderung! Aber mit unserer IPET-Methode konnten wir die 3D-Form einzelner Partikel charakterisieren und so die Positionen der dynamischen Solarpanels auf dem Nanosatelliten bestimmen“, sagt Gary Ren von der Molecular Foundry at Lawrence Berkeley National Laboratory, Kalifornien, USA.
Die Zukunft der RNA-Medizin
Die Untersuchung der RNA-Origamis trägt dazu bei, das rationale Design von RNA-Molekülen für den Einsatz in Medizin und synthetischer Biologie zu verbessern. Ein neues interdisziplinäres Konsortium, COFOLD, das von der Novo Nordisk Foundation unterstützt wird, wird die Untersuchungen von RNA-Faltprozessen fortsetzen, indem es Forscher aus Informatik, Chemie, Molekularbiologie und Mikrobiologie einbezieht, um die Faltung mit höherer Zeitauflösung zu entwerfen, zu simulieren und zu messen.
„Nachdem das RNA-Designproblem teilweise gelöst ist, ist der Weg nun frei für die Schaffung funktionaler RNA-Nanostrukturen, die für die RNA-basierte Medizin verwendet werden können oder als RNA-Regulationselemente zur Umprogrammierung von Zellen dienen“, sagt Ebbe Sloth Andersen.
Mehr Informationen:
Ebbe Andersen, Struktur, Faltung und Flexibilität von co-transkriptionellem RNA-Origami, Natur Nanotechnologie (2023). DOI: 10.1038/s41565-023-01321-6. www.nature.com/articles/s41565-023-01321-6