RNA origami
RNA-origami är veckningen av RNA i nanoskala , vilket gör det möjligt för RNA att skapa speciella former för att organisera dessa molekyler. Det är en ny metod som utvecklats av forskare från Aarhus Universitet och California Institute of Technology . RNA-origami syntetiseras av enzymer som viker RNA till särskilda former. Vikningen av RNA sker i levande celler under naturliga förhållanden. RNA-origami representeras som en DNA- gen , som inom celler kan transkriberas till RNA med RNA-polymeras . Många datoralgoritmer finns för att hjälpa till med RNA-veckning, men ingen kan helt förutsäga veckningen av RNA i en singulär sekvens.
Översikt
Inom nukleinsyror nanoteknologi är konstgjorda nukleinsyror designade för att bilda molekylära komponenter som kan självmontera till stabila strukturer för användning, allt från riktad läkemedelsleverans till programmerbara biomaterial. DNA-nanoteknik använder DNA-motiv för att bygga målformer och arrangemang. Den har använts i en mängd olika situationer, inklusive nanorobotik, algoritmiska arrayer och sensorapplikationer. Framtiden för DNA-nanoteknik är fylld av möjligheter för tillämpningar.
Framgången med DNA-nanoteknik har gjort det möjligt för designers att utveckla RNA-nanoteknik som en växande disciplin. RNA-nanoteknologi kombinerar den förenklade designen och manipulationen som är karakteristisk för DNA, med den ytterligare flexibiliteten i struktur och mångfald i funktion som liknar den hos proteiner. RNA:s mångsidighet i struktur och funktion, gynnsamma in vivo- egenskaper och självmontering nerifrån och upp är en idealisk väg för att utveckla biomaterial och nanopartikelläkemedelsleverans . Flera tekniker utvecklades för att konstruera dessa RNA-nanopartiklar, inklusive RNA-kubisk byggnadsställning, mallformad och icke-mallmonterad montering och RNA-origami.
Det första verket i RNA-origami dök upp i Science , publicerat av Ebbe S. Andersen vid Aarhus Universitet. Forskare vid Aarhus Universitet använde olika 3D-modeller och datorprogram för att designa individuell RNA-origami. En gång kodad som en syntetisk DNA-gen resulterade tillsats av RNA-polymeras i bildandet av RNA-origami. Observation av RNA gjordes främst genom atomkraftsmikroskopi , en teknik som gör det möjligt för forskare att titta på molekyler tusen gånger närmare än vad som normalt skulle vara möjligt med ett konventionellt ljusmikroskop. De kunde bilda bikakeformer, men bestämda andra former är också möjliga.
Cody Geary, en forskare inom området RNA-origami, beskrev det unika med metoden för RNA-origami. Han uppgav att dess vikningsrecept är kodat i själva molekylen och bestäms av dess sekvens. Sekvensen ger RNA-origami både dess slutliga form och rörelser av strukturen när den viks. Den primära utmaningen förknippad med RNA-origami härrör från det faktum att RNA viker sig av sig självt och kan därmed lätt trassla ihop sig.
Datorstödd design
Datorstödd design av RNA-origamistrukturen kräver tre huvudprocesser; skapa 3D-modellen, skriva 2D-strukturen och designa sekvensen. Först konstrueras en 3D-modell med hjälp av tertiära motiv från befintliga databaser. Detta är nödvändigt för att säkerställa att den skapade strukturen har genomförbar geometri och töjning. Nästa process är att skapa 2D-strukturen som beskriver strängvägen och basparen från 3D-modellen. Denna 2D-ritning introducerar sekvensbegränsningar och skapar primära, sekundära och tertiära motiv. Det sista steget är att designa sekvenser som är kompatibla med designad struktur. Designalgoritmer kan användas för att skapa sekvenser som kan vikas in i olika strukturer.
Dubbel delningsfilter (DX)
För att producera en önskad form använder RNA-origamimetoden dubbla överkorsningar (DX) för att arrangera RNA-spiralerna parallellt med varandra för att bilda en byggsten. Medan DNA-origami kräver konstruktion av DNA-molekyler från flera strängar, kunde forskare ta fram en metod för att göra DX-molekyler från endast en sträng för RNA. Detta gjordes genom att lägga till hårnålsmotiv på kanterna och kyss-loop-komplex på interna spiraler. Tillägget av fler DNA-molekyler ovanpå varandra skapar en korsning som kallas laxstjärtsömmen. Denna laxstjärtsöm har baspar som korsar mellan intilliggande korsningar; således blir den strukturella sömmen längs korsningen sekvensspecifik. En viktig aspekt av dessa vikningsinteraktioner är dess vikning; ordningen som interaktioner bildas kan potentiellt skapa en situation där en interaktion blockerar en annan och skapar en knut. Eftersom kyss-loop-interaktionerna och laxstjärtsinteraktionerna är ett halvt varv eller kortare, skapar de inte dessa topologiska problem.
Jämförelse med DNA-origami
RNA- och DNA-nanostrukturer används för organisation och koordinering av viktiga molekylära processer. Det finns dock flera distinkta skillnader mellan den grundläggande strukturen och tillämpningarna mellan de två. Även om den är inspirerad av DNA-origami -teknikerna som etablerats av Paul Rothemund , är processen för RNA-origami väldigt annorlunda. RNA-origami är en mycket nyare process än DNA-origami; DNA-origami har studerats i ungefär ett decennium nu, medan studiet av RNA-origami först nyligen har börjat.
Till skillnad från DNA-origami, som går ut på att kemiskt syntetisera DNA-strängarna och arrangera strängarna för att bilda vilken form som helst med hjälp av "stapelsträngar", tillverkas RNA-origami av enzymer och viks därefter till förberedda former . RNA kan vikas till unika sätt i komplexa strukturer på grund av ett antal sekundära strukturella motiv, såsom konserverade motiv och korta strukturella element. En viktig bestämningsfaktor för RNA-topologi är den sekundära strukturinteraktionen, som inkluderar motiv som pseudoknoter och kyssslingor, intilliggande helixar som staplas på varandra, hårnålsslingor med utbuktningsinnehåll och koaxialstaplar. Detta är till stor del ett resultat av fyra olika nukleotider: adenin (A), cytosin (C), guanin (G) och uracil (U), och förmågan att bilda icke-kanoniska baspar .
Det finns också mer komplexa och längre räckvidd RNA tertiära interaktioner. DNA kan inte bilda dessa tertiära motiv och kan därmed inte matcha den funktionella kapaciteten hos RNA för att utföra mer mångsidiga uppgifter. RNA-molekyler som är korrekt vikta kan fungera som enzymer, på grund av att metalljoner placeras på deras aktiva platser; detta ger molekylerna en mångfald av katalytiska förmågor. På grund av detta förhållande till enzymer kan RNA-strukturer potentiellt odlas i levande celler och användas för att organisera cellulära enzymer i distinkta grupper.
Dessutom är DNA-origamins molekylära upplösning inte lätt att införliva i det genetiska materialet i en organism. Men RNA-origami kan skrivas direkt som en DNA-gen och transkriberas med RNA-polymeras. Därför, medan DNA-origami kräver dyr odling utanför en cell, kan RNA-origami produceras i massa, billiga kvantiteter direkt i cellerna bara genom att odla bakterier. Genomförbarheten och kostnadseffektiviteten för att tillverka RNA i levande celler och i kombination med RNA-strukturens extra funktionalitet är lovande för utvecklingen av RNA-origami.
Ansökningar
RNA origami är ett nytt koncept och har stor potential för tillämpningar inom nanomedicin och syntetisk biologi. Metoden utvecklades för att möjliggöra nya skapelser av stora RNA-nanostrukturer som skapar definierade byggnadsställningar för att kombinera RNA-baserade funktioner. På grund av RNA-origamis barndom är många av dess potentiella tillämpningar fortfarande under upptäckt. Dess strukturer kan ge en stabil bas för att tillåta funktionalitet för RNA-komponenter. Dessa strukturer inkluderar riboswitches , ribozymes , interaktionsställen och aptamerer . Aptamerstrukturer tillåter bindning av små molekyler vilket ger möjligheter för konstruktion av framtida RNA-baserade nanoenheter. RNA-origami är vidare användbar inom områden som celligenkänning och bindning för diagnos. Dessutom har riktad leverans och blod-hjärnbarriärer studerats. Den kanske viktigaste framtida applikationen för RNA-origami är att bygga ställningar för att ordna andra mikroskopiska proteiner och låta dem arbeta med varandra.