Наноспутник указывает путь к РНК-медицине будущего

РНК-молекула известна как посредник между ДНК и белком, но её также можно сложить в сложные молекулярные машины. Пример естественной РНК-машины — рибосома, фабрика по производству белков во всех клетках.

Вдохновившись природными РНК-машинами, исследователи из Междисциплинарного нанонаучного центра (iNANO) разработали метод «РНК-оригами». Он позволяет создавать искусственные наноструктуры из одной нити РНК. Метод вдохновлён японским искусством складывания бумаги, где из одного листа получается фигура, например, птица.

Замороженные структуры дают новое понимание

В исследовании, опубликованном в Nature Nanotechnology, метод РНК-оригами использовали для создания РНК-наноструктур. Их структуру определили с помощью крио-электронной микроскопии (cryo-EM) в датском национальном центре EMBION. Cryo-EM позволяет определять 3D-структуру биомолекул, замораживая образец так быстро, что вода не успевает образовать кристаллы льда. Это позволяет чётче рассмотреть биомолекулы в электронный микроскоп.

Изображения тысяч молекул преобразуют в 3D-карту, на основе которой строят атомную модель. Исследования cryo-EM дали ценное понимание детальной структуры РНК-оригами, что позволило оптимизировать процесс дизайна и получать более идеальные формы.

«С точной обратной связью от cryo-EM у нас теперь есть возможность настраивать молекулярные конструкции и создавать всё более сложные наноструктуры», — объясняет Эббе Слот Андерсен, доцент iNANO Орхусского университета.

Обнаружение медленной ловушки сворачивания

На изображениях cryo-EM образца РНК-цилиндра обнаружили две разные формы. Замораживая образец в разное время, стало ясно, что происходит переход между ними. Используя метод малоуглового рентгеновского рассеяния (SAXS) на незамороженных образцах, исследователи смогли наблюдать этот переход в реальном времени. Оказалось, что переход сворачивания происходит примерно через 10 часов.

Учёные обнаружили так называемую «ловушку сворачивания», где РНК застревает во время транскрипции и высвобождается лишь позже.

«Было неожиданно обнаружить молекулу РНК, которая перестраивается так медленно, поскольку сворачивание обычно занимает меньше секунды», — говорит Ян Сков Педерсен, профессор кафедры химии и iNANO Орхусского университета.

«Мы надеемся использовать подобные механизмы для активации РНК-терапевтиков в нужное время и в нужном месте в организме пациента», — объясняет Юэн Макрей, первый автор исследования, который теперь возглавляет собственную группу в «Центре РНК-терапии» Хьюстонского методистского исследовательского института в Техасе, США.

Создание наноспутника из РНК

Чтобы продемонстрировать создание сложных форм, исследователи объединили РНК-прямоугольники и цилиндры, создав многодоменный «наноспутник», вдохновлённый космическим телескопом «Хаббл».

«Я спроектировал наноспутник как символ того, как дизайн РНК позволяет нам исследовать пространство сворачивания и внутриклеточное пространство, поскольку наноспутник можно экспрессировать в клетках», — говорит Коди Гири, доцент iNANO, который изначально разработал метод РНК-оригами.

Однако из-за гибкости спутника его было сложно охарактеризовать с помощью cryo-EM. Образец отправили в лабораторию в США, специализирующуюся на определении 3D-структуры отдельных частиц с помощью электронной томографии (метод IPET).

«РНК-спутник был большой проблемой! Но с помощью нашего метода IPET мы смогли определить 3D-форму отдельных частиц и, таким образом, установить положение динамических солнечных панелей на наноспутнике», — говорит Гэри Рен из Molecular Foundry Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли, Калифорния, США.

Будущее РНК-медицины

Исследование РНК-оригами способствует улучшению рационального дизайна молекул РНК для использования в медицине и синтетической биологии. Новый междисциплинарный консорциум COFOLD, поддерживаемый фондом Novo Nordisk, продолжит изучение процессов сворачивания РНК. В него войдут исследователи в области информатики, химии, молекулярной биологии и микробиологии для проектирования, моделирования и измерения сворачивания с более высоким временным разрешением.

«Теперь, когда проблема дизайна РНК частично решена, открыт путь для создания функциональных РНК-наноструктур. Их можно использовать в РНК-медицине или в качестве регуляторных элементов для перепрограммирования клеток», — говорит Эббе Слот Андерсен.