RNA分子通常被認(rèn)為是DNA和蛋白質(zhì)之間的信使，但它也可以折疊成復(fù)雜的分子機(jī)器。天然存在的RNA機(jī)器的一個例子是核糖體，它在所有細(xì)胞中充當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)工廠。

受天然RNA機(jī)器的啟發(fā)，跨學(xué)科納米科學(xué)中心(iNANO)的研究人員開發(fā)了一種稱為“RNA折紙”的方法，該方法可以設(shè)計(jì)從單個RNA林分折疊的人造RNA納米結(jié)構(gòu)。該方法的靈感來自折紙藝術(shù)折紙，其中一張紙可以折疊成給定的形狀，例如紙鳥。

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冷凍褶皺提供新的見解

Nature Nanotechnology的研究論文描述了RNA折紙技術(shù)如何用于設(shè)計(jì)RNA納米結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)由丹麥國家冷凍電鏡設(shè)施EMBION的冷凍電子顯微鏡(cryo-EM)表征。冷凍電鏡是一種確定生物分子 3D 結(jié)構(gòu)的方法，其工作原理是快速冷凍樣品，使水沒有時間形成冰晶，這意味著可以用電子顯微鏡更清楚地觀察冷凍的生物分子。

數(shù)千個分子的圖像可以在計(jì)算機(jī)上轉(zhuǎn)換為3D地圖，用于構(gòu)建分子的原子模型。冷凍電鏡研究為RNA折紙的詳細(xì)結(jié)構(gòu)提供了寶貴的見解，從而優(yōu)化了設(shè)計(jì)過程并產(chǎn)生了更理想的形狀。

“通過冷凍電鏡的精確反饋，我們現(xiàn)在有機(jī)會微調(diào)我們的分子設(shè)計(jì)并構(gòu)建日益復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)，”奧胡斯大學(xué)iNANO副教授Ebbe Sloth Andersen解釋說。

發(fā)現(xiàn)緩慢折疊陷阱

RNA圓柱體樣品的冷凍電鏡圖像包含兩種非常不同的形狀，并且通過在不同時間冷凍樣品，很明顯兩種形狀之間正在發(fā)生過渡。使用小角X射線散射(SAXS)技術(shù)，樣品沒有凍結(jié)，研究人員能夠?qū)崟r觀察這種轉(zhuǎn)變，并發(fā)現(xiàn)折疊轉(zhuǎn)變發(fā)生在大約10小時后。

研究人員發(fā)現(xiàn)了一種所謂的“折疊陷阱”，其中RNA在轉(zhuǎn)錄過程中被捕獲，然后才被釋放。

“發(fā)現(xiàn)一種RNA分子重新折疊的速度如此之慢，這是一個非常令人驚訝的，因?yàn)檎郫B通常在不到一秒鐘的時間內(nèi)發(fā)生，”奧胡斯大學(xué)化學(xué)和iNANO系教授Jan Skov Pedersen說。

“我們希望能夠利用類似的機(jī)制在正確的時間和地點(diǎn)激活RNA療法，”該研究的第一作者Ewan McRae解釋說，他現(xiàn)在正在美國德克薩斯州休斯頓衛(wèi)理公會研究所的“RNA治療中心”開始自己的研究小組。

從RNA構(gòu)建納米衛(wèi)星

為了證明復(fù)雜形狀的形成，研究人員將RNA矩形和圓柱體結(jié)合起來，創(chuàng)造了一個多域的“納米衛(wèi)星”形狀，靈感來自哈勃太空望遠(yuǎn)鏡。

“我設(shè)計(jì)納米衛(wèi)星作為RNA設(shè)計(jì)如何允許我們探索折疊空間(折疊的可能性空間)和細(xì)胞內(nèi)空間的象征，因?yàn)榧{米衛(wèi)星可以在細(xì)胞中表達(dá)，”iNANO助理教授Cody Geary說，他最初開發(fā)了RNA-折紙方法。

然而，由于其柔性特性，衛(wèi)星被證明難以通過冷凍電鏡表征，因此樣品被送到美國的實(shí)驗(yàn)室，在那里他們專門通過電子斷層掃描確定單個顆粒的3D結(jié)構(gòu)，即所謂的IPET方法。

“RNA衛(wèi)星是一個巨大的挑戰(zhàn)!但是通過使用我們的IPET方法，我們能夠表征單個粒子的3D形狀，從而確定納米衛(wèi)星上動態(tài)太陽能電池板的位置，“美國加利福尼亞州勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室分子鑄造廠的Gary Ren說。

RNA醫(yī)學(xué)的未來

對RNA折紙的研究有助于改善用于醫(yī)學(xué)和合成生物學(xué)的RNA分子的合理設(shè)計(jì)。由諾和諾德基金會支持的一個新的跨學(xué)科聯(lián)盟COFOLD將繼續(xù)研究RNA折疊過程，讓計(jì)算機(jī)科學(xué)，化學(xué)，分子生物學(xué)和微生物學(xué)的研究人員參與設(shè)計(jì)，模擬和測量更高時間分辨率的折疊。

“隨著RNA設(shè)計(jì)問題的部分解決，現(xiàn)在創(chuàng)建可用于基于RNA的藥物的功能性RNA納米結(jié)構(gòu)的道路已經(jīng)開放，或者作為RNA調(diào)節(jié)元件來重新編程細(xì)胞，”Ebbe Sloth Andersen說。