От in vitro к in vivo: Полностью автоматизированный дизайн синтетических РНК-схем в живых клетках
Ученые из Institut de biologie systémique et synthétique (Франция) разработали полностью автоматизированную методику проектирования и экспериментально подтвердили работу синтетических РНК-схем взаимодействия в клеточной среде. Это демонстрирует, что создание взаимодействующих РНК с аллостерическим поведением в живых клетках возможно с использованием вычислений из первых принципов.
Ключевые задачи и подход
Основная цель — автоматическое проектирование функциональных РНК-последовательностей для работы в клетках, без использования фрагментов природных последовательностей.
- Эволюционные вычисления: Для автоматизации дизайна использовались методы искусственного интеллекта, имитирующие эволюцию (например, алгоритм Метрополиса-Монте-Карло). Это позволило компьютеру исследовать миллионы прототипных последовательностей.
- Проблема стабильности: В клетках неструктурированные РНК быстро деградируют. Ученые задали условие, чтобы все РНК имели стабильную структуру.
- Проблема взаимодействия: Стабильная структура препятствует взаимодействию молекул. Решение — включение сайта нуклеации (небольшого неструктурированного фрагмента), который инициирует межмолекулярный контакт и раскрытие структуры.
Экспериментальная проверка
В качестве сложной тестовой задачи ученые выбрали дизайн положительных риборегуляторов в Escherichia coli — РНК, активирующих трансляцию. Таких молекул, способных активировать экспрессию генов, создано крайне мало.
После публикации в PNAS команда дополнительно подтвердила ортогональность (селективность трансляции мРНК) своих РНК в E. coli и создает в бактериях логический элемент XOR — ранее такое достигалось только в клетках млекопитающих.
Будущие направления
Методология будет расширена:
- Включение взаимодействий РНК-малая молекула.
- Интеграция известных функциональных фрагментов (например, рибозимов).
Уже создан и валидирован в E. coli новый тип химеры — риборегулятор, активируемый рибозимом при введении малой молекулы-индуктора. Этот гибрид назван regazyme. Также подтвержден полный дизайн рибопереключателя.
Перспективы применения
- Высокопроизводительный дизайн регуляторов для масштабных инженерных проектов.
- Создание аллостерических РНК-сенсоров для неинвазивного мониторинга динамики экспрессии генов.
- Разработка искусственных каскадов передачи сигналов на основе РНК.