RNA origami -techniek vouwt nanobuisjes om kunstmatige cytoskeletten voor synthetische cellen te maken

Met het doel op de lange termijn om levende cellen te creëren uit niet-levende componenten, werken wetenschappers op het gebied van synthetische biologie met RNA-origami. Deze tool gebruikt de multifunctionaliteit van het natuurlijke RNA -biomolecuul om nieuwe bouwstenen te vouwen, waardoor eiwitsynthese overbodig wordt.

Bij het nastreven van de kunstmatige cel heeft een onderzoeksteam onder leiding van prof. Dr. Kerstin Göpfrich in het Center for Molecular Biology van de Universiteit van Heidelberg een cruciale hindernis vrijgemaakt. Met behulp van de nieuwe RNA-origami-techniek slaagden ze erin nanobuisjes te produceren die in cytoskeletachtige structuren vouwen. Het cytoskelet is een essentiële structurele component in cellen die hen stabiliteit, vorm en mobiliteit geven. Het onderzoekswerk vormt de mogelijke basis voor complexere RNA -machines. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurnanotechnologie.

Een grote uitdaging bij het construeren van synthetische cellen is het produceren van eiwitten, die verantwoordelijk zijn voor bijna alle biologische processen in het organisme en dus in de eerste plaats het leven mogelijk maken. Voor natuurlijke cellen beschrijft het zogenaamde centrale dogma van de moleculaire biologie hoe eiwitsynthese optreedt door transcriptie en translatie van genetische informatie in de cel. In het proces wordt DNA getranscribeerd in RNA en vervolgens vertaald in functionele eiwitten die vervolgens vouwen ondergaan om hun juiste structuur te bereiken, wat cruciaal is voor de juiste functie.

“Er zijn meer dan 150 genen betrokken bij dit complexe proces alleen”, legt prof. Göpfrich uit, die samen met haar team, Biophysical Engineering of Life, onderzoek verricht aan het Center for Molecular Biology of Heidelberg University (ZMBH).

Prof. Göpfrich’s werk begint met de vraag hoe synthetische cellen kunnen worden gecreëerd die eiwitsynthese omzeilen, wat essentieel is in levende cellen. Ze gebruikt de techniek van RNA-origami, die is gebaseerd op het idee dat genetische informatie-de blauwdruk voor de celstructuur bijvoorbeeld-wordt vertaald met alleen zelfgevouwen RNA.

Eerst is een DNA-sequentie ontworpen in een computerondersteund proces. Het codeert voor de vorm die het RNA moet aannemen na vouwen. Om de gewenste structuur te benaderen, moeten geschikte RNA -motieven worden geselecteerd en vertaald in een genetische sjabloon die uiteindelijk wordt gesynthetiseerd als een kunstmatig gen.

Om de blauwdruk te implementeren die het bevat, wordt RNA -polymerase gebruikt. Het enzym leest de informatie die is opgeslagen in de sjabloon en maakt de bijbehorende RNA -component. Algoritmen die specifiek zijn ontwikkeld, zorgen ervoor dat het geplande vouwing correct optreedt.

Geholpen door RNA Origami, slaagden de Heidelberg -synthetische bioloog en haar team erin een essentieel structurele component van synthetische cellen te creëren – een kunstmatig cytoskelet. De RNA -microtubs, die slechts een paar micron lang zijn, vormen een netwerk dat lijkt op een natuurlijke celstructuur.

Volgens prof. Göpfrich zijn de nanobuisjes een andere stap in de richting van het bouwen van synthetische cellen. De onderzoekers testten de RNA -origami in een lipide -blaasje, een eenvoudig celdodelsysteem dat veel wordt gebruikt in de biologie. Met behulp van zogenaamde RNA-aptameren was het kunstmatige cytoskelet gebonden aan de celmembranen. Door middel van gerichte mutaties naar de genetische sjabloon – de DNA -sequentie – was het ook mogelijk om de eigenschappen van het RNA -skelet te beïnvloeden.

“In tegenstelling tot DNA -origami, is het voordeel van RNA -origami dat synthetische cellen hun bouwstenen zelf kunnen produceren”, benadrukt Kerstin Göpfrich. Ze voegt eraan toe dat dit nieuwe perspectieven zou kunnen openen op de gerichte evolutie van dergelijke cellen. Het langetermijnonderzoeksdoel is om een ​​complete moleculaire machines te creëren voor op RNA gebaseerde synthetische cellen.