Nanosatelliet wijst de weg naar de RNA-geneeskunde van de toekomst

Het RNA-molecuul wordt algemeen erkend als boodschapper tussen DNA en eiwit, maar het kan ook worden opgevouwen tot ingewikkelde moleculaire machines. Een voorbeeld van een natuurlijk voorkomende RNA-machine is het ribosoom, dat in alle cellen als eiwitfabriek fungeert.

Geïnspireerd door natuurlijke RNA-machines hebben onderzoekers van het Interdisciplinair Nanoscience Center (iNANO) een methode ontwikkeld genaamd “RNA-origami,” wat het mogelijk maakt om kunstmatige RNA-nanostructuren te ontwerpen die vouwen vanuit een enkele RNA-standaard. De methode is geïnspireerd op de Japanse papiervouwkunst, origami, waarbij een enkel stuk papier in een bepaalde vorm kan worden gevouwen, zoals een papieren vogel.

Bevroren plooien zorgen voor nieuw inzicht

Het onderzoeksrapport binnen Natuur Nanotechnologie beschrijft hoe de RNA-origamitechniek werd gebruikt om RNA-nanostructuren te ontwerpen, die werden gekarakteriseerd door cryo-elektronenmicroscopie (cryo-EM) bij de Deense nationale cryo-EM-faciliteit EMBION. Cryo-EM is een methode voor het bepalen van de 3D-structuur van biomoleculen, die werkt door het monster zo snel te bevriezen dat water geen tijd heeft om ijskristallen te vormen, wat betekent dat bevroren biomoleculen duidelijker kunnen worden waargenomen met de elektronenmicroscoop.

Afbeeldingen van vele duizenden moleculen kunnen op de computer worden omgezet in een 3D-kaart, die wordt gebruikt om een ​​atomair model van het molecuul te bouwen. De cryo-EM-onderzoeken leverden waardevol inzicht op in de gedetailleerde structuur van de RNA-origami’s, wat optimalisatie van het ontwerpproces mogelijk maakte en resulteerde in meer ideale vormen.

“Met nauwkeurige feedback van cryo-EM hebben we nu de mogelijkheid om onze moleculaire ontwerpen te verfijnen en steeds ingewikkelder nanostructuren te construeren,” legt Ebbe Sloth Andersen, universitair hoofddocent bij iNANO, Aarhus University, uit.

Ontdekking van een langzaam opvouwbare val

Cryo-EM-afbeeldingen van een RNA-cilindermonster bleken twee zeer verschillende vormen te bevatten en door het monster op verschillende tijdstippen te bevriezen was het duidelijk dat er een overgang tussen de twee vormen plaatsvond. Met behulp van de techniek van small-angle X-ray scattering (SAXS), waarbij de monsters niet bevroren zijn, konden de onderzoekers deze overgang in realtime observeren en ontdekten dat de vouwovergang na ongeveer 2 uur plaatsvond. 10 uur.

De onderzoekers hadden een zgn “opvouwbare val” waar het RNA vast komt te zitten tijdens transcriptie en pas later wordt vrijgegeven.

“Het was nogal een verrassing om een ​​RNA-molecuul te ontdekken dat zich zo langzaam hervouwt, aangezien vouwen doorgaans in minder dan een seconde plaatsvindt.” vertelt Jan Skov Pedersen, professor aan de afdeling Scheikunde en iNANO, Aarhus University.

“We hopen vergelijkbare mechanismen te kunnen benutten om RNA-therapeutica op het juiste moment en op de juiste plaats in de patiënt te activeren,” legt Ewan McRae uit, de eerste auteur van de studie, die nu zijn eigen onderzoeksgroep begint aan de “Centrum voor RNA-therapie” aan het Houston Methodist Research Institute in Texas, VS.

Constructie van een nanosatelliet uit RNA

Om de vorming van complexe vormen te demonstreren, combineerden de onderzoekers RNA-rechthoeken en -cilinders om een ​​multidomein te creëren “nanosatelliet” vorm, geïnspireerd door de Hubble Space Telescope.

“Ik ontwierp de nanosatelliet als een symbool van hoe RNA-ontwerp ons in staat stelt om vouwruimte (mogelijkheid van vouwruimte) en intracellulaire ruimte te verkennen, aangezien de nanosatelliet kan worden uitgedrukt in cellen,” zegt Cody Geary, assistent-professor bij iNANO, die oorspronkelijk de RNA-origami-methode ontwikkelde.

De satelliet bleek echter moeilijk te karakteriseren door cryo-EM vanwege zijn flexibele eigenschappen, dus werd het monster naar een laboratorium in de VS gestuurd, waar ze gespecialiseerd zijn in het bepalen van de 3D-structuur van individuele deeltjes door middel van elektronentomografie, de zogenaamde IPET -methode.

“De RNA-satelliet was een grote uitdaging! Maar door onze IPET-methode te gebruiken, waren we in staat om de 3D-vorm van individuele deeltjes te karakteriseren en zo de posities van de dynamische zonnepanelen op de nanosatelliet te bepalen,” zegt Gary Ren van de Molecular Foundry van het Lawrence Berkeley National Laboratory, Californië, VS.

De toekomst van RNA-geneeskunde

Het onderzoek naar de RNA-origami’s draagt ​​bij aan het verbeteren van het rationele ontwerp van RNA-moleculen voor gebruik in de geneeskunde en synthetische biologie. Een nieuw interdisciplinair consortium, COFOLD, ondersteund door de Novo Nordisk Foundation, zal het onderzoek naar RNA-vouwprocessen voortzetten door onderzoekers uit de informatica, scheikunde, moleculaire biologie en microbiologie te betrekken bij het ontwerpen, simuleren en meten van vouwen met een hogere tijdsresolutie.

“Nu het RNA-ontwerpprobleem gedeeltelijk is opgelost, ligt de weg open voor het creëren van functionele RNA-nanostructuren die kunnen worden gebruikt voor op RNA gebaseerde medicijnen, of fungeren als RNA-regulerende elementen om cellen te herprogrammeren,” zegt Ebbe Sloth Andersen.