Nano-satellit viser vejen mod fremtidens RNA-medicin

RNA-molekylet betragtes ofte som budbringer mellem DNA og protein, men det kan også foldes til komplicerede molekylære maskiner. Et eksempel på en naturligt forekommende RNA-maskine er ribosomet, der fungerer som proteinfabrik i alle celler. Inspireret af naturlige RNA-maskiner har forskere ved Interdisciplinært Nanoscience Center (iNANO) udviklet en metode kaldet ”RNA-origami”, der gør det muligt at designe kunstige RNA-nanostrukturer, der foldes fra en enkelt RNA-streng. Metoden er inspireret af den japanske papirfoldekunst, origami, hvor et enkelt stykke papir foldes til en given form, som f.eks. en papirfugl.

Frosne foldninger giver ny indsigt

Forskningsartiklen i Nature Nanotechnology beskriver hvordan RNA-origami-teknikken blev brugt til at designe RNA-nanostrukturerer der blev visualiseret med kryo-elektronmikroskopi (cryo-EM) ved den nationale cryo-EM-facilitet EMBION. Cryo-EM er en metode til at bestemme 3D strukturen af biomolekyler, der fungerer ved, at man fryser en prøve så hurtigt, at vand ikke kan nå at danne iskrystaller, hvilket gør at fastfrosne biomolekyler kan observeres mere tydeligt med elektronmikroskopet. Billeder af mange tusind molekyler kan på computeren omdannes til et 3D kort, som man bruger til at bygge en atomar model af molekylet. Cryo-EM-undersøgelserne gav værdifuld indsigt i RNA-origamiernes detaljerede opbygning, hvilket tillod optimering af designprocessen og resulterede i mere perfekte former.

"Med præcis feedback fra cryo-EM har vi nu mulighed for at finjustere vores molekylære designs og konstruere stadigt mere komplicerede nanostrukturer", forklarer Ebbe Sloth Andersen, lektor ved iNANO, Aarhus Universitet.

Opdagelse af en langsom foldnings-fælde

Cryo-EM-billeder af en RNA-cylinder-prøve viste sig at indeholde to vidt forskellige strukturer, og ved at fryse prøven på forskellige tidspunkter var det tydeligt, at en overgang mellem de to strukturer fandt sted. Ved at bruge teknikken small-angle X-ray scattering (SAXS), hvor prøverne ikke er frosset, var forskerne i stand til at observere denne overgang, mens den skete, og fandt således ud af at overgangen skete efter ca. 10 timer. Forskerne havde opdaget en såkaldt ”foldnings-fælde”, hvor RNA'et bliver fanget under transskription og først senere frigøres (se video).

"Det var noget af en overraskelse at opdage et RNA-molekyle, der genfoldes så langsomt, da foldning typisk sker på mindre end et sekund”, forklarer Jan Skov Pedersen, professor ved Institut for Kemi og iNANO, Aarhus Universitet.

”Vi håber at kunne udnytte lignende mekanismer til at aktivere RNA-medicin på rette tid og sted i patienten”, fortæller Ewan McRae, førsteforfatteren til undersøgelsen, som nu starter sin egen forskergruppe på ”Centre for RNA Therapeutics” ved Houston Methodist Research Institute i Texas, USA.