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.
Opbygning af en nano-satellit af RNA
For at vise dannelsen af komplekse former kombinerede forskerne nu RNA-firkanter og -cylindere for at skabe en multidomæne "nano-satellit"-form, inspireret af Hubble-rumteleskopet.
”Jeg designede nano-satellitten, som et symbol på hvordan RNA-design tillader os at udforske foldningsrummet (mulighedsrummet for foldninger) og det intracellulære rum, da nano-satellitten kan udtrykkes i celler”, fortæller Cody Geary, adjunkt på iNANO, der oprindeligt udviklede RNA-origami-metoden.
Satellitten viste sig dog at være svær at karakterisere med cryo-EM på grund af dens fleksible egenskaber, så derfor blev prøven sendt til et laboratorie i USA, hvor man er specialister i at bestemme 3D-strukturen af individuelle partikler ved elektrontomografi, den såkaldte IPET-metode.
“RNA-satellitten var en stor udfordring! Men ved at bruge vores IPET-metode var vi i stand til at bestemme 3D-formen af individuelle partikler og dermed positionen af de dynamiske solpaneler på nano-satellitten”, fortæller Gary Ren fra Molecular Foundry ved Berkeley Laboratory, Californien, USA.
Fremtiden for RNA-medicin
Undersøgelsen af RNA-origamierne bidrager til at forbedre rationelt design af RNA-molekyler til brug i medicin og syntetisk biologi. Et nyt interdisciplinært konsortium, COFOLD, støttet af Novo Nordisk Fonden, skal forsætte undersøgelserne af RNA-foldningsprocesser ved at involvere forskere fra datalogi, kemi, molekylærbiologi og mikrobiologi til at designe, simulere og måle foldning med højere tidsopløsning.
"Med RNA-designproblemet delvist løst, er vejen nu banet for at skabe funktionelle RNA-nanostrukturer, der kan bruges til RNA-baseret medicin, eller fungere som RNA-regulatoriske elementer til at omprogrammere celler", forudser Ebbe Sloth Andersen.
Nøgleord
Kontakter
Lektor Ebbe Sloth Andersen
Interdisciplinary Nanoscience Center (iNANO)
Institut for Molekylærbiologi og Genetik
Aarhus Universitet
esa@inano.au.dk - mobil: 4117 8619
Billeder

Information om Aarhus Universitet Natural Sciences
Følg pressemeddelelser fra Aarhus Universitet Natural Sciences
Skriv dig op her, og modtag pressemeddelelser på e-mail. Indtast din e-mail, klik på abonner, og følg instruktionerne i den udsendte e-mail.
Flere pressemeddelelser fra Aarhus Universitet Natural Sciences
60 mio. kr. til udvikling af bælgplanter til fremtidens fødevareproduktion8.6.2023 08:44:16 CEST | Pressemeddelelse
Protein fra bælgplanter kommer til at spille en stor rolle i fremtidens fødevareproduktion, men bælgplanter har længe stået i skyggen af korn med hensyn til forsknings- og udviklingsinvesteringer. Novo Nordisk Fonden har nu støttet N2CROP-centeret for bælgplanteinnovation med 60 mio. kr. for at sætte fart på optimeringen af bælgplanter som fødevareafgrøder.
Milliarder af mennesker slipper for farlig varme, hvis vi begrænser global opvarmning til 1,5°23.5.2023 04:00:00 CEST | Pressemeddelelse
Mere end en femtedel af menneskeheden kommer til at lide under farligt varme temperaturer i 2100, hvis den nuværende klimapolitik fortsætter – og det vil primært gå ud over mennesker i udviklingslande. Et internationalt forskerhold med deltagelse fra Aarhus Universitet har beregnet de store menneskelige omkostninger ved ikke at tackle klimakrisen
Ny viden om funktionen af planters ”hjerte” kan beskytte planter mod skadedyr16.5.2023 09:07:22 CEST | Pressemeddelelse
Forskere fra Aarhus Universitet har opdaget hemmeligheden bag, hvordan planter flytter sukker ved hjælp af et transport protein, der hedder SUC. Dette gennembrud løser et mangeårigt mysterium om plantens ”hjerte” og kaster nyt lys over, hvordan planter forsvarer sig mod skadedyr. Opdagelsen offentliggjort i Nature Plants er resultatet af fem års forskning udført af et hold talentfulde forskere.
Ny kemi kan trække friske råmaterialer ud af vindmøllevinger i én proces28.4.2023 06:00:00 CEST | Pressemeddelelse
Forskere fra Aarhus Universitet og Teknologisk Institut har udviklet en kemisk proces, der på én gang kan udskille glasfibre og en af epoxyens originale byggesten fra vindmøllevinger i en kvalitet, så materialerne potentielt kan indgå direkte i produktion af nye vinger.
Professor Daan van Aalten modtager en Villum Investigator bevilling på 40 mio. kr.21.4.2023 11:36:56 CEST | Pressemeddelelse
Med bevillingen fra VILLUM FONDEN vil Daan van Aalten fra Institut for Molekylærbiologi og Genetik ved Aarhus Universitet identificere, hvilke proteiner der bærer et bestemt sukkermolekyle, som af ukendte årsager er afgørende for udviklingen af dyrefostre.
I vores nyhedsrum kan du læse alle vores pressemeddelelser, tilgå materiale i form af billeder og dokumenter samt finde vores kontaktoplysninger.
Besøg vores nyhedsrum