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
Ny indsigt i kolesterols dynamik kaster lys over neurodegenerativ sygdom8.4.2024 09:43:27 CEST | Pressemeddelelse
Forståelsen af kolesterolbalancen i celler åbner op for nye perspektiver på den neuro-degenerative sygdom Niemann-Pick type C, der også kaldes "børne-demens". Disse resultater udgør et betydningsfuldt skridt i retning af at behandle denne sygdom.
Stjernen Epsilon Indi skælver ganske svagt - vi er et skridt nærmere på at forstå de stjerner, som ligner Solen27.3.2024 16:29:52 CET | Pressemeddelelse
En række Aarhus-forskere er dybt involverede den nye opdagelse.
De første mennesker kom til Europa for mindst 1,4 mio. år siden – fra øst6.3.2024 17:00:00 CET | Pressemeddelelse
Dateringer af jordlag med primitive stenredskaber i det vestlige Ukraine viser, at menneskeslægten – sandsynligvis i form af arten Homo erectus – var til stede i Europa allerede for 1,4 millioner år siden. De er 2-300.000 år ældre end de hidtil ældste fund i Spanien og Frankrig, og kaster nyt lys over menneskets kolonisering af det europæiske kontinent.
Ny opdagelse viser, hvordan celler forsvarer sig i stressede situationer27.2.2024 11:23:23 CET | Pressemeddelelse
En ny undersøgelse foretaget af et internationalt forskerhold afslører, hvordan vores celler forsvarer sig i stressede situationer. Forskningen viser, at en lille ændring i det genetiske materiale, kaldet ac4C, fungerer som en afgørende forsvarer, der hjælper celler med at skabe beskyttende tilflugtssteder kendt som stressgranuler. Disse stressgranuler sikrer vigtige genetiske instruktioner, når cellen står over for udfordringer. De nye resultater kan hjælpe med til at vise nye metoder til at behandle sygdomme.
Fremmede planteædere er lige så gode for lokale planter som hjemmehørende arter19.2.2024 11:16:59 CET | Pressemeddelelse
Nyt stort studie viser, at ideen om, at hjemmehørende dyr er bedre for det lokale økosystem end introducerede arter, er forkert. I stedet er det dyrenes måde at søge føde på, der har betydning.
I vores nyhedsrum kan du læse alle vores pressemeddelelser, tilgå materiale i form af billeder og dokumenter samt finde vores kontaktoplysninger.
Besøg vores nyhedsrum