РНК-оригами
Две группы исследователей преодолели основное препятствие на пути использования наноструктур из рибонуклеиновых кислот – химическую нестабильность РНК и ее быстрое разрушение в организме под действием ферментов-РНКаз.
Наноструктуры из РНК
Предсказание пространственной структуры для произвольной молекулы РНК – нетривиальная задача, которая не имеет общего решения. К счастью, природа создала множество частных случаев молекул РНК, обладающих удивительными свойствами. Молекулярные биологи изучают эти свойства, а задача нанотехнологов – воспользоваться ими во благо человечества.
Именно так и поступила группа учёных из Соединенных Штатов Америки. У кишечной палочки Escherichia coli есть изящная система контроля репликации, основанная на взамодействии двух молекул РНК – RNAI и RNAII. В каждой из этих РНК имеется структурный элемент «шпилька», состоящий из двуцепочечного стебля и одноцепочной петли на вершине стебля. Последовательность нуклеотидов петли RNAI комплементарна последовательности петли RNAII, благодаря чему две молекулы РНК могут взаимодействовать, формируя из двух одноцепочечных участков один двуцепочечный – структуру «kissing loops» (рисунок 1). При этом молекулы располагаются таким образом, что угол между стеблями двух шпилек составляет 120°.
Учёные сообразили, что при помощи таких петель и kissing-взаимодействий можно сконструировать малюсенькие шестиугольники. Идею можно реализовать двумя способами: используя «рёбра» с двумя разными петлями на концах (одна петля из RNAI, другая из RNAII) или два набора ребёр с одинаковыми петлями на концах (рисунок 2, варианты SM и AB, соответственно).
На рисунке 3 можно увидеть изображения АСМ получившихся наночастиц: действительно, образовались многоугольные фигуры, в основном шестиугольники, но также и четырёх-, пяти-, семи-, восьмиугольники (для варианта AB – как и ожидалось, только фигуры с чётным числом сторон, для SM – в том числе с нечётным).
Учёные решили пойти дальше и сконструировать «полностью запрограммированный» набор ребёр, из которых бы гарантированно получались шестиугольники, а не произвольный набор многогранников. Для этого нужно, чтобы в каждой вершине реализовывалось уникальная kissing-структура, подобная RNAI/RNAII (рисунок 4). Но столько структур не существует в природе… Не беда! Учёные сделали в имеющемся RNAI/RNAII мотиве несколько нуклеотидных замен, и на уже отработанной системе посмотрели, как эти замены влияют на способность «ребёр» формировать многоугольники. Некоторые замены, к сожалению, оказались неудачными; из оставшихся, тем не менее, удалось выбрать шесть некомплементарных друг другу наборов.
Теперь учёные умеют собирать наноугольники с длиной ребра всего лишь 6.5 нм – причем, хотите шести-, хотите пятиугольники, а если желаете – то и квадраты. Как показал дальнейший анализ, шестиугольники являются наиболее выгодной формой, а если при этом еще и «сшить» 3'-конец с 5'-концом, то сразу возрастает устойчивость наноструктуры к действию нуклеаз, которые присутствуют в плазме крови.
Зачем же могут понадобиться такие наночастицы? Помимо того, что они красивы, они могут применяться в терапевтических целях – для доставки коротких интерферирующих РНК (siRNA) внутрь клеток. Эти siRNA могут как входить в состав «рёбер», так и образовывать отдельный стебель, перпендикулярный «ребру» (рисунок 5).
Учёные опробовали и тот, и другой вариант, и показали, что в обоих случаях структура взаимодействует с белком Dicer in vitro. Dicer – это специальный внутриклеточный белок, который вырезает siRNA из двуцепоченой РНК. Значит, можно ожидать, что после попадания шестиугольничков в клетку природный фермент Dicer вырежет из РНК siRNA-фрагмент и запустит природный механизм подавления активности тех генов, к которым подходит данная siRNA.
Более полное удовольствие от этой работы можно получить, ознакомившись с текстом статьи “Self-Assembling RNA Nanorings Based on RNAI/II Inverse Kissing Complexes”, опубликованной в журнале Nano Letters.
Прорыв в РНК-нанотехнологиях: получены стабильные трехмерные РНК-наноструктуры
Ученые смогли преодолеть большое препятствие на пути к использованию генетического материала РНК в нанотехнологиях – области, занимающейся разработкой машин в тысячи раз меньшего размера, чем толщина человеческого волоса, где сейчас доминирует ДНК. Полученные ими результаты, способные ускорить использование РНК-нанотехнологий в области медицины, представлены в журнале ACS Nano (Fabrication of Stable and RNase-Resistant RNA Nanoparticles Active in Gearing the Nanomotors for Viral DNA Packaging).
Профессор биомедицинской инженерии Университета Цинциннати (University of Cincinnati) доктор философии Пейсян Го (Peixuan Guo) и его коллеги отмечают, что, имея общие химические свойства, ДНК, двухцепочечный генетический «план жизни», и РНК, ее одноцепочечная «кузина», могут использоваться в качестве строительных блоков для создания наноструктур и наноустройств. В некоторых отношениях РНК даже имеет преимущества перед ДНК. Область ДНК-нанотехнологий уже давно и интенсивно развивается. Однако РНК-нанотехнологии, которым всего 10 лет, не менее перспективны и могут с успехом применяться в лечении рака, а также вирусных и генетических заболеваний. Медленный прогресс РНК-нанотехнологий объясняется химической нестабильностью РНК и ее разрушением в присутствии ферментов.
Наноразмерные моторы, такие как этот – из ДНК-вала и шести РНК-винтов –
могут обеспечить энергией крошечные наномашины,
каждая из которых в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса.
«Фермент РНКаза случайным образом разрезает РНК на мелкие фрагменты, делая это очень эффективно – всего за нескольких минут», – объясняет профессор Го. «Учитывая, что РНКаза присутствует повсюду, получение РНК в лаборатории – чрезвычайно сложная задача».
Заменив одну из химических групп в макромолекуле, Го и его коллеги нашли способ воспрепятствовать действию РНКазы и создать стабильные трехмерные конфигурации РНК, значительно расширив возможности ее применения в нанотехнологиях.
Ученые сосредоточили свое внимание на кольцах рибозы, которые вместе с фосфатными группами составляют остов нуклеополимера. Заменив один из участков рибозного кольца, Го и его коллеги сделали невозможным его связывание с РНКазой, получив, таким образом, устойчивую к разрушению молекулярную структуру.
«Взаимодействие между РНКазой и РНК требует соответствия структурной конформации», – объясняет Го. «Если конформация РНК изменяется, РНКаза не может распознать РНК и связывание становится проблематичным».
Показав в более ранних исследованиях, что такое изменение делает РНК стабильной в двойной спирали, ученые отказались от изучения его потенциала в воздействии на фолдинг РНК в трехмерную структуру, необходимую в нанотехнологии.
«Мы установили, что модифицированная РНК может соответствующим образом сворачиваться в 3-D структуру и выполнять свои биологические функции», – говорит Го.
Ученые протестировали способность трехмерной РНК-наноструктуры обеспечивать энергией наноразмерный биологический мотор одного из бактериофагов – вирусов, инфицирующих бактерии – работающий с помощью молекул РНК. Модифицированная РНК показала отличную биологическую активность даже в присутствии высоких концентраций ферментов, обычно разрушающих этот полимер.
Полученные данные подтверждают целесообразность производства устойчивых к ферменту РНКазе, биологически активных и стабильных РНК для использования в области нанотехнологий.
Как ДНК, так и РНК могут служить строительными блоками для постоянно растущего производства наноструктур. Новаторский подход, предложенный Нэдом Симэном 30 лет назад, привел к взрыву информации в области ДНК-нанотехнологии. Молекулами РНК можно манипулировать с той же простотой, что и ДНК, получая при этом неканоническое спаривание оснований, универсальные функции и каталитическую активность, аналогичную белковой. Однако, испугавшись чувствительности РНК к РНКазе, многие ученые ушли из РНК-нанотехнологий. Мы сообщаем о получении стабильных РНК-наночастиц, устойчивых к разложению РНКазой. 2′-F (2′-фтор)-РНК сохраняет способность к правильной димеризации и биологическую активность в приведении в движение наномотора бактериофага phi29 при упаковке вирусной ДНК и образовании инфекционных вирусных частиц. Наши результаты демонстрируют целесообразность производства устойчивых к РНКазе, биологически активных и стабильных РНК-наночастиц для применения в нанотехнологии. (Фото: pubs.acs.org)
«Так как стабильные молекулы РНК могут быть использованы для сборки различных наноструктур, они являются идеальным инструментом для доставки адресных терапевтических средств в раковые или инфицированные вирусами клетки», – считает профессор Го.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru
24.01.2011