РНК-оригами
РНК-оригами — это наноразмерное сворачивание РНК , позволяющее РНК создавать определенные формы для организации этих молекул. [1] Это новый метод, разработанный исследователями из Орхусского университета и Калифорнийского технологического института . [2] РНК-оригами синтезируется с помощью ферментов, которые складывают РНК в определенные формы. Сворачивание РНК происходит в живых клетках в естественных условиях. РНК-оригами представляет собой ДНК- ген , который внутри клеток может транскрибироваться в РНК с помощью РНК-полимеразы . Существует множество компьютерных алгоритмов, помогающих сворачивать РНК, но ни один из них не может полностью предсказать сворачивание РНК единичной последовательности. [2]
Обзор
[ редактировать ]
В нанотехнологиях нуклеиновых кислот искусственные нуклеиновые кислоты предназначены для формирования молекулярных компонентов, которые могут самособираться в стабильные структуры для использования в диапазоне от адресной доставки лекарств до программируемых биоматериалов. [3] ДНК-нанотехнология использует мотивы ДНК для создания целевых форм и расположений. Он использовался в различных ситуациях, включая наноробототехнику, алгоритмические массивы и сенсорные приложения. Будущее нанотехнологий ДНК наполнено возможностями для их применения. [4]
Успех нанотехнологии ДНК позволил разработчикам развивать нанотехнологию РНК как развивающуюся дисциплину. Нанотехнология РНК сочетает в себе упрощенный дизайн и манипуляции, характерные для ДНК, с дополнительной гибкостью структуры и разнообразием функций, аналогичных белкам. [5] Универсальность структуры и функций РНК, ее благоприятные свойства in vivo и восходящая самосборка являются идеальным путем для разработки доставки лекарств из биоматериалов и наночастиц . Для конструирования этих наночастиц РНК было разработано несколько методов, включая кубический каркас РНК, [6] шаблонная и нешаблонная сборка, а также РНК-оригами.
Первая работа по РНК-оригами появилась в журнале Science , опубликованном Эббе С. Андерсеном из Орхусского университета. [7] Исследователи из Орхусского университета использовали различные 3D-модели и компьютерное программное обеспечение для создания индивидуальных оригами из РНК. Когда-то добавление РНК-полимеразы было закодировано как синтетический ДНК-ген, что привело к образованию РНК-оригами. Наблюдение за РНК в основном проводилось с помощью атомно-силовой микроскопии — метода, который позволяет исследователям рассматривать молекулы в тысячу раз ближе, чем это обычно возможно с помощью обычного светового микроскопа. Они смогли сформировать соты, но определили, что возможны и другие формы.
Коди Гири, ученый в области РНК-оригами, описал уникальность метода РНК-оригами. Он заявил, что рецепт ее складывания закодирован в самой молекуле и определяется ее последовательностью. Эта последовательность придает РНК-оригами окончательную форму и движения структуры при ее складывании. Основная проблема, связанная с РНК-оригами, связана с тем фактом, что РНК складывается сама по себе и поэтому может легко запутываться. [2]
Компьютерное проектирование
[ редактировать ]Компьютерное проектирование структуры оригами РНК требует трех основных процессов; создание 3D-модели, написание 2D-структуры и проектирование последовательности. Сначала создается 3D-модель с использованием третичных мотивов из существующих баз данных. Это необходимо для того, чтобы созданная конструкция имела допустимую геометрию и деформацию. Следующий процесс — создание 2D-структуры, описывающей путь цепи и пары оснований из 3D-модели. Этот 2D-проект вводит ограничения последовательности, создавая первичные, вторичные и третичные мотивы. Последним шагом является разработка последовательностей, совместимых с спроектированной структурой. Алгоритмы проектирования можно использовать для создания последовательностей, которые могут складываться в различные структуры. [8]
Двойной кроссовер (DX)
[ редактировать ]Чтобы создать желаемую форму, метод РНК-оригами использует двойные кроссоверы (DX) для расположения спиралей РНК параллельно друг другу, образуя строительный блок. В то время как ДНК-оригами требует построения молекул ДНК из нескольких нитей, исследователи смогли разработать метод создания молекул DX только из одной цепи для РНК. Это было достигнуто за счет добавления мотивов шпилек по краям и комплексов петель на внутренних спиралях. Добавление большего количества молекул ДНК друг к другу создает соединение, известное как шов «ласточкин хвост». Этот шов «ласточкин хвост» имеет пары оснований, которые пересекаются между соседними соединениями; таким образом, структурный шов вдоль соединения становится специфичным для последовательности. Важным аспектом этих складывающихся взаимодействий является их сворачивание; Порядок формирования взаимодействий потенциально может создать ситуацию, в которой одно взаимодействие блокирует другое, создавая узел. Поскольку взаимодействия «поцелующая петля» и «ласточкин хвост» выполняются на пол-оборота или короче, они не создают этих топологических проблем. [8]
Сравнение с ДНК-оригами
[ редактировать ]Наноструктуры РНК и ДНК используются для организации и координации важных молекулярных процессов. Однако между ними существует несколько явных различий между фундаментальной структурой и приложениями. Хотя он вдохновлен техникой ДНК-оригами, разработанной Полем Ротемундом , [9] Процесс изготовления РНК-оригами совершенно другой. РНК-оригами — гораздо более новый процесс, чем ДНК-оригами; ДНК-оригами изучается уже около десяти лет, а изучение РНК-оригами началось лишь недавно.
В отличие от ДНК-оригами, которое включает в себя химический синтез нитей ДНК и приведение нитей в любую желаемую форму с помощью «штапельных нитей», РНК-оригами создается с помощью ферментов и впоследствии складывается в заранее отрисованные формы. РНК способна уникальным образом сворачиваться в сложные структуры благодаря ряду вторичных структурных мотивов, таких как консервативные мотивы и короткие структурные элементы. Основным определяющим фактором топологии РНК является взаимодействие вторичной структуры, которое включает в себя такие мотивы, как псевдоузлы и целующиеся петли, соседние спирали, укладывающиеся друг на друга, шпильковые петли с выпуклым содержимым и коаксиальные стопки. Во многом это является результатом четырех разных нуклеотидов: аденина (А), цитозина (С), гуанина (G) и урацила (U), а также способности образовывать неканонические пары оснований .
Существуют также более сложные и дальнодействующие третичные взаимодействия РНК. ДНК не способна формировать эти третичные мотивы и, следовательно, не может соответствовать функциональной способности РНК при выполнении более универсальных задач. Молекулы РНК, которые правильно свернуты, могут служить ферментами благодаря расположению ионов металлов в их активных центрах; это дает молекулам разнообразный набор каталитических способностей. [10] Благодаря такому родству с ферментами структуры РНК потенциально можно выращивать внутри живых клеток и использовать для организации клеточных ферментов в отдельные группы.
Кроме того, молекулярный распад ДНК-оригами нелегко включить в генетический материал организма. Однако РНК-оригами можно записать непосредственно в виде гена ДНК и транскрибировать с помощью РНК-полимеразы. Таким образом, в то время как ДНК-оригами требует дорогостоящего культивирования вне клетки, РНК-оригами можно производить в массовых и дешевых количествах непосредственно внутри клеток, просто выращивая бактерии. [11] Целесообразность и экономическая эффективность производства РНК в живых клетках в сочетании с дополнительной функциональностью структуры РНК многообещающи для разработки РНК-оригами.
Приложения
[ редактировать ]РНК-оригами — это новая концепция, имеющая большой потенциал для применения в наномедицине и синтетической биологии. Метод был разработан, чтобы позволить создавать новые крупные наноструктуры РНК, которые создают определенные каркасы для объединения функциональных возможностей РНК. Поскольку РНК-оригами находится в зачаточном состоянии, многие из его потенциальных применений все еще находятся в процессе открытия. Его структуры способны обеспечить стабильную основу для обеспечения функциональности компонентов РНК. Эти структуры включают рибопереключатели , рибозимы , сайты взаимодействия и аптамеры . Структуры аптамеров позволяют связывать небольшие молекулы, что открывает возможности для создания будущих наноустройств на основе РНК. РНК-оригами также полезно в таких областях, как распознавание и связывание клеток для диагностики. адресная доставка и прохождение гематоэнцефалического барьера . Кроме того, изучались [6] Возможно, самым важным будущим применением РНК-оригами станет создание каркасов, которые позволят расположить другие микроскопические белки и позволить им работать друг с другом. [8]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Запрограммировано складываться: РНК-оригами | Калифорнийский технологический институт» . Калифорнийский технологический институт . Проверено 9 октября 2017 г.
- ^ Перейти обратно: а б с «Ученые складывают РНК-оригами из одной нити - Лента новостей науки» . www.sciencenewsline.com . Проверено 20 ноября 2017 г.
- ^ Нанотехнология нуклеиновых кислот | СпрингерСсылка (PDF) . Нуклеиновые кислоты и молекулярная биология. Том. 29. 2014. doi : 10.1007/978-3-642-38815-6 . ISBN 978-3-642-38814-9 . S2CID 44920215 .
- ^ Симан, Надриан К. (2005). «Структурная нанотехнология ДНК: обзор». нано -биотехнологий Протоколы . Методы молекулярной биологии. Том. 303. стр. 143–166. дои : 10.1385/1-59259-901-X:143 . ISBN 978-1-59259-901-1 . ISSN 1064-3745 . ПМЦ 3478330 . ПМИД 15923682 .
- ^ Го, Пэйсюань (декабрь 2010 г.). «Новая область нанотехнологии РНК» . Природные нанотехнологии . 5 (12): 833–842. Бибкод : 2010НатНа...5..833Г . дои : 10.1038/nnano.2010.231 . ISSN 1748-3387 . ПМК 3149862 . ПМИД 21102465 .
- ^ Перейти обратно: а б Афонин Кирилл А; Биндевальд, Эккарт; Ягубян, Алан Дж.; Восс, Нил; Жаковетти, Эрика; Шапиро, Брюс А.; Джагер, Люк (сентябрь 2010 г.). «Сборка каркасов на основе кубической РНК in vitro, разработанных in silico» . Природные нанотехнологии . 5 (9): 676–682. Бибкод : 2010НатНа...5..676А . дои : 10.1038/nnano.2010.160 . ISSN 1748-3387 . ПМЦ 2934861 . ПМИД 20802494 .
- ^ Гири, Коди; Ротемунд, Пол В.К.; Андерсен, Эббе С. (15 августа 2014 г.). «Одноцепочечная архитектура котранскрипционного сворачивания наноструктур РНК» (PDF) . Наука . 345 (6198): 799–804. Бибкод : 2014Sci...345..799G . дои : 10.1126/science.1253920 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 25124436 . S2CID 5903435 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Спарват, Штеффен Л.; Гири, Коди В.; Андерсен, Эббе С. (2017). 3D-наноструктура ДНК . Методы молекулярной биологии. Том. 1500. Humana Press, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. стр. 51–80. дои : 10.1007/978-1-4939-6454-3_5 . ISBN 9781493964529 . ПМИД 27813001 .
- ^ Ротемунд, Пол В.К. (16 марта 2006 г.). «Складывание ДНК для создания наноразмерных форм и узоров» (PDF) . Природа . 440 (7082): 297–302. Бибкод : 2006Natur.440..297R . дои : 10.1038/nature04586 . ISSN 0028-0836 . ПМИД 16541064 . S2CID 4316391 .
- ^ Альбертс, Брюс; Джонсон, Александр; Льюис, Джулиан; Рафф, Мартин; Робертс, Кейт; Уолтер, Питер (2002). «Мир РНК и происхождение жизни» . Гирляндная наука.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ «Ученые складывают РНК-оригами из одной нити» . ScienceDaily . Проверено 9 октября 2017 г.