RNA origami - RNA origami
RNA origami to nanoskala fałdowania RNA , umożliwiająca RNA tworzenie określonych kształtów w celu uporządkowania tych cząsteczek. Jest to nowa metoda opracowana przez naukowców z Aarhus University i California Institute of Technology . Origami RNA jest syntetyzowane przez enzymy, które składają RNA w określone kształty. Fałdowanie RNA zachodzi w żywych komórkach w warunkach naturalnych. Origami RNA jest reprezentowane jako gen DNA , który w komórkach może być transkrybowany na RNA przez polimerazę RNA . Obecnych jest wiele algorytmów komputerowych pomagających w fałdowaniu RNA, ale żaden nie jest w stanie w pełni przewidzieć fałdowania RNA pojedynczej sekwencji.
Przegląd
W nanotechnologii kwasów nukleinowych sztuczne kwasy nukleinowe są projektowane tak, aby tworzyć komponenty molekularne, które mogą samoczynnie składać się w stabilne struktury, od ukierunkowanego dostarczania leków po programowalne biomateriały. Nanotechnologia DNA wykorzystuje motywy DNA do budowania docelowych kształtów i układów. Był używany w różnych sytuacjach, w tym w nanorobotyce, tablicach algorytmicznych i zastosowaniach czujników. Przyszłość nanotechnologii DNA jest pełna możliwości zastosowań.
Sukces nanotechnologii DNA pozwolił projektantom rozwinąć nanotechnologię RNA jako rozwijającą się dyscyplinę. Nanotechnologia RNA łączy w sobie uproszczony projekt i manipulację charakterystyczne dla DNA, z dodatkową elastycznością struktury i różnorodnością funkcji podobną do białek. Wszechstronność RNA pod względem struktury i funkcji, korzystne atrybuty in vivo i oddolny samoorganizowanie się to idealna droga do opracowania biomateriałów i nanocząsteczek do dostarczania leków. Opracowano kilka technik konstruowania tych nanocząsteczek RNA, w tym sześcienne rusztowanie RNA, montaż oparty na szablonach i bez szablonów oraz origami RNA.
Pierwsza praca dotycząca origami RNA pojawiła się w Science , opublikowanym przez Ebbe S. Andersena z Uniwersytetu w Aarhus. Naukowcy z Uniwersytetu w Aarhus wykorzystali różne modele 3D i oprogramowanie komputerowe do zaprojektowania indywidualnego origami RNA. Po zakodowaniu jako syntetyczny gen DNA, dodanie polimerazy RNA spowodowało powstanie origami RNA. Obserwacja RNA była prowadzona głównie za pomocą mikroskopii sił atomowych , techniki, która pozwala badaczom przyjrzeć się cząsteczkom tysiąc razy bliżej, niż byłoby to normalnie możliwe przy użyciu konwencjonalnego mikroskopu świetlnego. Byli w stanie uformować plastry miodu, ale określone inne kształty są również możliwe.
Cody Geary, uczony w dziedzinie origami RNA, opisał wyjątkowość metody origami RNA. Stwierdził, że jego składowa receptura jest zakodowana w samej cząsteczce i określona przez jej sekwencję. Sekwencja nadaje origami RNA zarówno ostateczny kształt, jak i ruchy struktury podczas składania. Główne wyzwanie związane z origami RNA wynika z faktu, że RNA samo się fałduje, a zatem może łatwo się zaplątać.
Projektowanie wspomagane komputerowo
Wspomagane komputerowo projektowanie struktury origami RNA wymaga trzech głównych procesów; tworzenie modelu 3D, pisanie konstrukcji 2D i projektowanie sekwencji. Najpierw konstruowany jest model 3D przy użyciu trzeciorzędnych motywów z istniejących baz danych. Jest to konieczne, aby zapewnić stworzonej strukturze wykonalną geometrię i odkształcenia. Następnym procesem jest utworzenie struktury 2D opisującej ścieżkę cięgna i pary bazowe z modelu 3D. Ten plan 2D wprowadza ograniczenia sekwencji, tworząc motywy pierwotne, drugorzędne i trzeciorzędne. Ostatnim krokiem jest zaprojektowanie sekwencji zgodnych z projektowaną strukturą. Algorytmy projektowe mogą służyć do tworzenia sekwencji, które można złożyć w różne struktury.
Podwójna zwrotnica (DX)
Aby uzyskać pożądany kształt, metoda origami RNA wykorzystuje podwójne skrzyżowanie (DX), aby ułożyć helisy RNA równolegle do siebie, tworząc blok budulcowy. Podczas gdy origami DNA wymaga konstrukcji cząsteczek DNA z wielu nici, naukowcom udało się opracować metodę tworzenia cząsteczek DX tylko z jednej nici dla RNA. Dokonano tego poprzez dodanie motywów spinki do włosów na krawędziach i kompleksów pętli całujących na wewnętrznych helisach. Dodatek większej liczby cząsteczek DNA jedna na drugiej tworzy połączenie znane jako szew jaskółczy ogon. Ten szew typu jaskółczy ogon ma pary baz, które przecinają sąsiednie połączenia; w ten sposób szew strukturalny wzdłuż połączenia staje się specyficzny dla sekwencji. Ważnym aspektem tych składanych interakcji jest ich składanie; kolejność, jaką tworzą interakcje, może potencjalnie stworzyć sytuację, w której jedna interakcja blokuje drugą, tworząc węzeł. Ponieważ interakcje w pętli całowania i interakcje na jaskółczy ogon trwają pół obrotu lub krócej, nie powodują problemów topologicznych.
Porównanie z origami DNA
Nanostruktury RNA i DNA służą do organizacji i koordynacji ważnych procesów molekularnych. Istnieje jednak kilka wyraźnych różnic między podstawową strukturą i zastosowaniami między nimi. Chociaż zainspirowany technikami origami DNA opracowanymi przez Paula Rothemunda , proces tworzenia origami RNA jest zupełnie inny. Origami RNA to znacznie nowszy proces niż origami DNA; Origami DNA badano mniej więcej dziesięć lat, podczas gdy badania origami RNA rozpoczęły się dopiero niedawno.
W przeciwieństwie do origami DNA, które polega na chemicznej syntezie nici DNA i układaniu nici w dowolny pożądany kształt za pomocą „ciętych nici”, origami RNA jest wytwarzane przez enzymy, a następnie składa się do wstępnie renderowanych kształtów. RNA jest w stanie składać się w unikalny sposób w złożonych strukturach dzięki wielu drugorzędowym motywom strukturalnym, takim jak motywy konserwowane i krótkie elementy strukturalne. Głównym wyznacznikiem topologii RNA jest interakcja struktury drugorzędowej, która obejmuje motywy takie jak pseudo-węzły i pętle całowania, sąsiednie helisy ułożone jedna na drugiej, pętle spinki do włosów z zawartością wybrzuszenia i stosy współosiowe. Jest to w dużej mierze wynikiem czterech różnych nukleotydów: adeniny (A), cytozyny (C), guaniny (G) i uracylu (U) oraz zdolności do tworzenia niekanonicznych par zasad .
Istnieją również bardziej złożone, trzeciorzędowe interakcje RNA o dłuższym zasięgu. DNA nie jest w stanie tworzyć tych trzeciorzędowych motywów, a tym samym nie może dopasować funkcjonalnej zdolności RNA do wykonywania bardziej wszechstronnych zadań. Cząsteczki RNA, które są prawidłowo sfałdowane, mogą służyć jako enzymy dzięki pozycjonowaniu jonów metali w ich miejscach aktywnych; daje to cząsteczkom różnorodne właściwości katalityczne. Ze względu na ten związek z enzymami struktury RNA mogą potencjalnie rosnąć w żywych komórkach i być wykorzystywane do organizowania enzymów komórkowych w odrębne grupy.
Ponadto rozpad molekularny origami DNA nie jest łatwo wbudowywany w materiał genetyczny organizmu. Jednak origami RNA można zapisać bezpośrednio jako gen DNA i transkrybować przy użyciu polimerazy RNA. Dlatego też, podczas gdy origami DNA wymaga kosztownej hodowli poza komórką, origami RNA można wytwarzać masowo, tanio bezpośrednio w komórkach, po prostu przez hodowanie bakterii. Wykonalność i opłacalność wytwarzania RNA w żywych komórkach oraz w połączeniu z dodatkową funkcjonalnością struktury RNA są obiecujące dla rozwoju origami RNA.
Aplikacje
RNA origami to nowa koncepcja, która ma duży potencjał zastosowań w nanomedycynie i biologii syntetycznej. Metoda została opracowana, aby umożliwić tworzenie nowych dużych nanostruktur RNA, które tworzą określone rusztowania do łączenia funkcjonalności opartych na RNA. Z powodu wczesnego rozwoju origami RNA wiele z jego potencjalnych zastosowań jest wciąż w trakcie odkrywania. Jego struktury są w stanie zapewnić stabilną podstawę, aby umożliwić funkcjonalność składników RNA. Struktury te obejmują ryboswitche , rybozymy , miejsca interakcji i aptamery . Struktury aptameru pozwalają na wiązanie małych cząsteczek, co daje możliwości konstrukcji przyszłych nanourządzeń opartych na RNA. Origami RNA jest ponadto użyteczne w takich obszarach, jak rozpoznawanie komórek i wiązanie do diagnozy. Ponadto badano ukierunkowane dostarczanie i przechodzenie przez barierę krew-mózg . Być może najważniejszym przyszłym zastosowaniem origami RNA jest budowanie rusztowań do układania innych mikroskopijnych białek i umożliwienia im współpracy.