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).

Video: Videoen viser de to forskellige former af det samme RNA-molekyle og den foreslåede overgang mellem dem. I den første del af videoen er en del af den centrale "kysseløkke"-interaktion markeret med rødt. I den sidste del af videoen vises baseparrene i den centrale "kysseløkke"-interaktion for at fremhæve, hvordan de brydes og omdannes under overgangen.

"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.

Relaterede nyheder:

• New grant: Interdisciplinary team will elucidate the rules of RNA folding
• RNA origami enables applications in synthetic biology
• Større og bedre RNA-stilladser til at organisere proteiner
• Selvfoldende nano-origami med én RNA streng