Оригами, японское искусство складывания бумаги, черпает свою элегантность и красоту в манипуляциях с одним листом бумаги для создания сложной формы. Метод оригами РНК, описанный в новом исследовании, также включает в себя сворачивание одной цепи РНК, но вместо того, чтобы экспериментаторы занимались сворачиванием, молекулы сворачиваются сами по себе.
«Уникальность этого метода в том, что рецепт сворачивания закодирован в самой молекуле через ее последовательность». объясняет Коди Гири, научный сотрудник в области структуры и дизайна РНК из Орхусского университета. «Последовательность РНК определяет как окончательную форму, так и серию движений, которые перестраивают структуры по мере их складывания».«Задача создания РНК, которые сворачиваются сами по себе, особенно трудна, поскольку молекулы могут легко запутаться во время процесса сворачивания. Поэтому, чтобы спроектировать их, вы действительно должны представить себе, как молекулы должны скручиваться и изгибаться, чтобы получить их окончательная форма ". — говорит Гири.
Исследователи использовали 3D-модели и компьютерное программное обеспечение для создания каждого оригами РНК, которое затем было закодировано как синтетический ген ДНК. Как только ген ДНК был произведен, простое добавление фермента РНК-полимеразы привело к автоматическому образованию РНК-оригами.
Чтобы наблюдать за молекулами РНК, исследователи использовали атомно-силовой микроскоп, тип сканирующего микроскопа, который мягко касается молекул, а не смотрит прямо на них. Микроскоп может увеличивать изображение в тысячу раз меньше, чем это возможно с помощью обычного светового микроскопа. Исследователи продемонстрировали свой метод, складывая структуры РНК, которые образуют соты, но многие другие формы должны быть реализованы.«Мы разработали молекулы РНК так, чтобы они складывались в сотовые структуры, потому что их легко распознать в микроскоп.
В одном эксперименте мы поймали полимеразы в процессе создания РНК, которые собираются в соты, и они действительно выглядят как медоносные пчелы в действии. " Гири продолжает.Метод изготовления фигур оригами из ДНК существует уже почти десять лет, и с тех пор было создано множество приложений для молекулярных каркасов.
Однако у РНК есть некоторые важные преимущества перед своей химической родственницей ДНК, которые делают ее привлекательной альтернативой:Пол Ротемунд, профессор-исследователь Калифорнийского технологического института и изобретатель метода ДНК-оригами, также является автором новой работы по РНК-оригами. «Части ДНК-оригами не могут быть легко записаны в геном организма.
РНК-оригами, с другой стороны, можно представить как ген ДНК, который в клетках транскрибируется в РНК с помощью белковой машины, называемой РНК-полимеразой». объясняет Ротемунд.Ротемунд также добавляет: «Преимущество состоит в том, что в отличие от ДНК-оригами, которое дорого и должно производиться вне клеток, РНК-оригами можно будет дешево выращивать в больших количествах, просто выращивая бактерии с генами для них. Гены и бактерии. по сути ничего не стоит разделить, и поэтому ученые смогут легко обмениваться РНК-оригами ".
Исследование проводилось в лабораториях Орхусского университета в Дании и Калифорнийского технологического института в Пасадене. Эббе Андерсен, доцент Орхусского университета, который занимается разработкой молекулярных биосенсоров, руководит разработкой проекта.
«Все молекулы и структуры, которые образуются внутри живых клеток, являются продуктами самосборки, но мы все еще очень мало знаем о том, как на самом деле работает самосборка. Создавая и тестируя формы самосборки РНК, мы начали терять немного света на фундаментальные принципы самосборки ". — говорит Андерсен.«Основное применение этих молекулярных форм — создание каркасов для организации других микроскопических компонентов, таких как белки, в группы, которые позволяют им работать вместе.
Например, использование каркасов в качестве основы для создания микроскопического химического завода, на котором производятся продукты. переходили от одного белкового фермента к другому ". Андерсен объясняет.Как сворачиваются РНК?Молекулы РНК представляют собой нити, состоящие из нуклеотидов A, U, C и G. Одиночная цепь РНК может загибаться сама на себя, образуя пары оснований, взаимодействия между отдельными нуклеотидами в цепи.
Самыми сильными парами оснований в РНК являются G-C, A-U и G-U, но многие другие пары оснований также могут образовываться в РНК. Напротив, ДНК объединяет только G-C и A-T, за гораздо меньшим количеством исключений. В результате РНК обладает большей функциональной способностью по сравнению с ДНК, но ее труднее спроектировать из-за большей сложности. В биологии РНК выполняет множество самых разных ролей, но в основном известна своей центральной ролью в производстве белков.
Для выполнения этих функций РНК сворачивается и образует сложные функциональные формы. Изучая архитектуру молекул РНК из природы, ученые идентифицировали трехмерные модули, которые определяются паттернами A, U, C и G. Ученые, работающие с РНК, показали, что эти модули можно использовать как кубики Lego.
Как сконструировать РНК-оригами?Дизайн оригами РНК осуществляется с помощью компьютерных алгоритмов. Дизайнер комбинирует спирали РНК и другие 3D-модули, чтобы сформировать одну взаимосвязанную нить, используя среду 3D-моделирования.
Таким образом, для нити уже определен набор шаблонов последовательности, потому что 3D-модули ограничивают последовательность. Затем нить загружается в компьютерную программу, которая предлагает присвоить оставшиеся A, U, C и G остальной части структуры, чтобы каждая часть структуры имела уникальный шаблон, который совпадает. Программа выбирает последовательность из очень большого пространства решений, проверяя множество случайных последовательностей, а затем оценивая и сравнивая энергии базовых пар на каждом входе. После того, как целевая последовательность создана для желаемой РНК, она может быть закодирована в цепь ДНК компанией, специализирующейся на синтезе ДНК.
Поскольку цена на синтез генов продолжает снижаться, это позволяет тестировать более крупные и сложные конструкции РНК. Гены ДНК для кодирования структур РНК могут быть экономически эффективными, поскольку после синтеза ДНК для дизайна ее можно многократно копировать в лаборатории и даже передавать исследователям.
Когда к генам ДНК добавляют ферменты полимеразы, каждую копию ДНК можно использовать для создания тысяч кодируемых структур РНК.Информационный бюллетень по РНК
РНК — это нуклеиновая кислота, состоящая из нуклеотидов A, U, C и G. В то время как спаривание оснований РНК в основном соединяет A с U и C с G, РНК может образовывать множество дополнительных возможностей спаривания оснований.Подобно ДНК, РНК может образовывать двойные спирали.
Однако спирали РНК немного отличаются по форме от спиралей ДНК.Незначительные химические различия между РНК и ДНК позволяют РНК иметь большее структурное разнообразие и функциональность по сравнению с ДНК.
РНК является одним из наиболее важных полимеров клетки из-за ее центральной роли в трансляции (кодирование белков), а также потому, что РНК — это молекула, которая катализирует производство белков (рибосома). Кроме того, РНК выполняет множество функций, регулирующих экспрессию генов, способна сплайсинг собственных сигналов и превращается в широкий спектр клеточных наномашин.Структура РНК может быть запрограммирована с помощью ее последовательности нуклеотидов, которая определяет пары оснований.
Но, кроме того, у РНК есть мотивы, которые соответствуют трехмерным формам, где мотивы представляют собой определенные образцы нуклеотидов.Спаривание оснований РНК может отличаться от образования ДНК, потому что они сворачиваются, когда они производятся ферментом полимеразой.
В этом случае, поскольку основания, доступные для спаривания, постепенно продуцируются полимеразой, результирующая структура зависит от скорости синтеза.Существует множество компьютерных алгоритмов, помогающих проектировать складки РНК.
Однако пока не существует метода для точного прогнозирования процесса сворачивания РНК данной последовательности.