Освещая танец РНК с помощью сверхъярких рентгеновских лучей

РНК служит посредником между ДНК и белками, но функции большей части некодирующей РНК до конца не ясны. Учёные разработали новый метод для раскрытия её секретов.

Используя источник рентгеновского лазера на свободных электронах Linac Coherent Light Source (LCLS) в SLAC National Accelerator Laboratory, исследователи смогли наблюдать структурные изменения свободно диспергированной в растворе РНК с разрешением до ангстремов — так, как они происходят в организме.

Метод применим и к другим биомолекулам, что открывает перспективы для изучения болезней и разработки терапий. Результаты опубликованы в Science Advances.

Смешивание и рассеяние

РНК, в отличие от белков, сложнее изучать из-за её высокой заряженности и гибкости. Её «танец» — скручивание и сворачивание — определяет функцию.

Для наблюдения изменений на биологически значимых миллисекундных масштабах нужен мощный зондирующий луч, сфокусированный на крошечной области. LCLS обеспечил достаточно яркий пучок для регистрации слабых «сигнатур рассеяния», отражающих структуру РНК.

Группа под руководством Лоис Поллак из Корнеллского университета модифицировала специальные жидкостные инжекторы, чтобы изучать реакцию биомолекул на химический триггер. Инжекторы, разработанные аспиранткой Карой Зелински, подавали свободно плавающие молекулы РНК в виде струи жидкости на путь луча LCLS.

За миллисекунды до облучения рентгеновским лазером РНК смешивалась с ионами магния внутри инжектора. Ионы запускали драматические изменения формы, заставляя молекулы «сворачиваться» в конечную структуру. Сверхъяркие рентгеновские импульсы длительностью в фемтосекунды (10^-15 с) фиксировали изменения.

Комбинируя множество таких измерений с разной временной задержкой после введения магния, учёные создали покадровый молекулярный рентгеновский фильм и проследили структурные изменения.

Метод позволил зафиксировать крупную структурную трансформацию РНК из развёрнутого состояния в свёрнутое. За миллисекунды цепь РНК эволюционировала из одноцепочечного состояния через частично двойную спираль и в итоге приняла форму тройной спирали.

Прямой эфир

Ключевым достижением стал анализ в реальном времени: молекулярный фильм реконструировали на мощных компьютерах уже через несколько минут после измерений. Команда могла наблюдать структурные изменения РНК по ходу эксперимента и анализировать данные «на лету».

«Восторг был глубоким, — вспоминает Поллак. — Мы подсматривали за этими молекулами в реальном времени, наблюдая, как они сворачиваются и меняют форму».

В дальнейшем команда планирует комбинировать измерения высокого и низкого разрешения с симуляциями, чтобы получить детальный атомный вид структуры и поведения РНК.

Итог

Хотя в исследовании использовалась простая модель РНК для предсказуемости, теперь учёные могут наблюдать химически запущенные структурные изменения в реальном времени с высокой детализацией и скоростью.

Это открывает двери для фармацевтических разработок. Более глубокое понимание структур РНК позволит усовершенствовать целевой дизайн лекарств для большей точности и эффективности.

Технология команды, в частности смешивающий инжектор, достаточно универсальна для изучения и других молекулярных взаимодействий в белках и ДНК.

«Дело не только в этом открытии, связанном с РНК, — говорит Поллак. — Мы осознали, что имеющиеся в нашем распоряжении инструменты теперь позволяют нам наблюдать сложные молекулярные события с беспрецедентной детализацией. Суть в том, что теперь мы можем видеть в мельчайших подробностях на очень коротких временных масштабах».