Ученые создали РНК-оригами из одной нити
РНК-оригами — это новый метод организации молекул в наномасштабе. С помощью всего одной нити РНК этой техникой можно создавать множество сложных форм. В отличие от существующих методов сворачивания молекул ДНК, РНК-оригами производятся ферментами и одновременно складываются в заранее заданные формы. Эти особенности могут позволить выращивать дизайнерские РНК-структуры внутри живых клеток и использовать их для организации клеточных ферментов в биохимические фабрики. Метод, разработанный исследователями из Орхусского университета (Дания) и Калифорнийского технологического института, описан в последнем выпуске журнала Science.
Метод, описанный в новом исследовании, предполагает сворачивание одной нити РНК, но вместо экспериментаторов молекулы складываются сами.
«Уникальность метода в том, что рецепт сворачивания закодирован в самой молекуле через её последовательность», — объясняет Коди Гири, постдок в области структуры и дизайна РНК в Орхусском университете. «Последовательность РНК определяет как конечную форму, так и серию движений, которые перестраивают структуры в процессе сворачивания».
«Задача спроектировать РНК, которые сворачиваются сами, особенно сложна, поскольку молекулы могут легко запутаться в процессе. Поэтому для их проектирования нужно действительно представлять, как молекулы должны скручиваться и изгибаться, чтобы достичь конечной формы», — говорит Гири.
Исследователи использовали 3D-модели и компьютерное программное обеспечение для проектирования каждого РНК-оригами, которое затем кодировалось как синтетический ген ДНК. После создания гена ДНК простое добавление фермента РНК-полимеразы приводило к автоматическому формированию РНК-оригами.
Для наблюдения за молекулами РНК исследователи использовали атомно-силовой микроскоп, который мягко касается молекул, а не рассматривает их напрямую. Этот микроскоп может увеличивать в тысячу раз больше, чем обычный световой микроскоп. Исследователи продемонстрировали свой метод, создав РНК-структуры, образующие соты, но многие другие формы также должны быть реализуемы.
«Мы спроектировали молекулы РНК так, чтобы они складывались в соты, потому что их легко распознать в микроскоп. В одном эксперименте мы застали полимеразы в процессе создания РНК, которые собираются в соты, и они действительно выглядят как пчелы в действии», — продолжает Гири.
Метод создания оригами-форм из ДНК существует почти десятилетие и породил множество применений молекулярных каркасов. Однако у РНК есть важные преимущества перед её химическим кузеном ДНК, которые делают её привлекательной альтернативой.
Пол Ротемунд, профессор-исследователь в Калифорнийском технологическом институте и изобретатель метода ДНК-оригами, также является соавтором новой работы по РНК-оригами. «Части для ДНК-оригами нельзя легко записать в геном организма. РНК-оригами, с другой стороны, может быть представлено как ген ДНК, который в клетках транскрибируется в РНК белковой машиной, называемой РНК-полимеразой», — объясняет Ротемунд.
Ротемунд добавляет: «Выгода в том, что в отличие от ДНК-оригами, которые дороги и должны создаваться вне клеток, РНК-оригами должны быть способны дешево выращиваться в больших количествах, просто выращивая бактерии с генами для них. Гены и бактерии по сути ничего не стоят для обмена, поэтому РНК-оригами будут легко передаваться между учеными».
Исследования проводились в лабораториях Орхусского университета в Дании и Калифорнийского технологического института в Пасадене. Разработку проекта возглавил Эббе Андерсен, доцент Орхусского университета, работающий над созданием молекулярных биосенсоров.
«Все молекулы и структуры, которые формируются внутри живых клеток, являются продуктами самосборки, но мы все еще очень мало знаем о том, как она на самом деле работает. Проектируя и тестируя самособирающиеся РНК-формы, мы начали проливать свет на фундаментальные принципы самосборки», — говорит Андерсен.
«Основное применение этих молекулярных форм — создание каркасов для организации других микроскопических компонентов, таких как белки, в группы, позволяющие им работать вместе. Например, использование каркасов в качестве основы для построения микроскопической химической фабрики, где продукты передаются от одного белкового фермента к другому», — объясняет Андерсен.