РНК оригами - RNA origami

Механизм оригами РНК.

РНК оригами это наноразмер складывание РНК, позволяя РНК создавать определенные формы для организации этих молекул.[1] Это новый метод, разработанный исследователями из Орхусский университет и Калифорнийский технологический институт.[2] РНК-оригами синтезируется ферментами, которые превращают РНК в определенные формы. Сворачивание РНК происходит в живых клетках в естественных условиях. РНК-оригами представляет собой ДНК ген, которые внутри ячеек могут быть записано в РНК РНК-полимераза. Существует множество компьютерных алгоритмов, помогающих сворачивать РНК, но ни один не может полностью предсказать сворачивание РНК единственной последовательности.[2]

Обзор

РНК адаптированные мотивы

В нанотехнологии нуклеиновых кислот искусственные нуклеиновые кислоты предназначены для формирования молекулярных компонентов, которые могут самостоятельно собираться в стабильные структуры для использования, начиная от адресной доставки лекарств до программируемых биоматериалов.[3] ДНК-нанотехнологии использует мотивы ДНК для создания целевых форм и механизмов. Он использовался в различных ситуациях, включая нанороботику, алгоритмические массивы и сенсорные приложения. Будущее ДНК-нанотехнологий наполнено возможностями для приложений.[4]

Успех ДНК-нанотехнологий позволил дизайнерам развивать РНК-нанотехнологию как растущую дисциплину. Нанотехнология РНК сочетает в себе упрощенный дизайн и манипуляции, характерные для ДНК, с дополнительной гибкостью в структуре и разнообразием функций, аналогичных белкам.[5] Универсальность РНК по структуре и функциям, благоприятная in vivo атрибутов, а самосборка снизу вверх - идеальный путь для разработки биоматериалов и наночастица Доставка наркотиков. Для создания этих наночастиц РНК было разработано несколько методов, включая кубический каркас РНК,[6] шаблонная и не шаблонная сборка, а также РНК-оригами.

Первые работы по РНК-оригами появились в Наука, опубликованный Эббе С. Андерсеном из Орхусского университета.[7] Исследователи из Орхусского университета использовали различные 3D-модели и компьютерное программное обеспечение для создания индивидуальных РНК-оригами. После кодирования в виде синтетического гена ДНК добавление РНК-полимеразы привело к образованию РНК-оригами. Наблюдение за РНК в основном проводилось атомно-силовая микроскопия, метод, который позволяет исследователям смотреть на молекулы в тысячу раз ближе, чем это обычно возможно с помощью обычного светового микроскопа. Они смогли образовать соты, но определили, что возможны и другие формы.

Коди Гири, ученый в области РНК-оригами, описал уникальность метода РНК-оригами. Он заявил, что его рецепт складывания закодирован в самой молекуле и определяется ее последовательностью. Последовательность придает РНК-оригами как ее окончательную форму, так и движения структуры при ее складывании. Основная проблема, связанная с РНК-оригами, проистекает из того факта, что РНК складывается сама по себе и, таким образом, может легко запутаться.[2]

Системы автоматизированного проектирования

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. Следующим процессом является создание 2D-структуры, описывающей путь прядей и пары оснований из 3D-модели. Этот двухмерный план вводит ограничения последовательности, создавая первичные, вторичные и третичные мотивы. Последний шаг - разработка последовательностей, совместимых с разработанной структурой. Алгоритмы проектирования могут использоваться для создания последовательностей, которые могут складываться в различные структуры.[8]

Двойное перекрестное сравнение строительных блоков ДНК и РНК оригами.[8] Левая панель - это план многонитевого DX, обычно используемого в ДНК-оригами. Правая панель представляет собой дизайн однониточного DX, в который вставлены шпильки, петли для поцелуев и узор из шва «ласточкин хвост».

Двойной кроссовер (DX)

Чтобы получить желаемую форму, метод оригами РНК использует двойные кроссоверы (DX), чтобы расположить спирали РНК параллельно друг другу, чтобы сформировать строительный блок. В то время как ДНК-оригами требует создания молекул ДНК из нескольких цепей, исследователи смогли разработать метод создания молекул DX только из одной цепи для РНК. Это было сделано путем добавления мотивов шпильки к краям и комплексов петель для поцелуев на внутренних спиралях. Добавление большего количества молекул ДНК друг на друга создает соединение, известное как шов ласточкин хвост. Этот шов типа «ласточкин хвост» имеет пары оснований, которые пересекаются между соседними стыками; таким образом, структурный шов вдоль стыка становится зависимым от последовательности. Важным аспектом этих взаимодействий сворачивания является сворачивание; порядок, в котором формируются взаимодействия, потенциально может создать ситуацию, в которой одно взаимодействие блокирует другое, создавая узел. Поскольку взаимодействия «поцелуй-петля» и «ласточкин хвост» составляют пол-оборота или короче, они не создают этих топологических проблем.[8]

Сравнение с ДНК оригами

Наноструктуры РНК и ДНК используются для организации и координации важных молекулярных процессов. Однако существует несколько явных различий между фундаментальной структурой и приложениями между ними. Хотя вдохновлен ДНК оригами методы, установленные Поль Ротемунд,[9] процесс создания РНК-оригами сильно отличается. РНК-оригами - это гораздо более новый процесс, чем ДНК-оригами; ДНК-оригами изучается примерно десять лет назад, тогда как изучение РНК-оригами началось совсем недавно.

В отличие от ДНК-оригами, которое включает химический синтез цепей ДНК и организацию цепей для образования любой желаемой формы с помощью «основных цепей», РНК-оригами создается с помощью ферменты и впоследствии складывается в предварительно отрисованные формы. РНК способна укладываться уникальными способами в сложные структуры за счет ряда вторичных структурных мотивов, таких как консервативные мотивы и короткие структурные элементы. Основным детерминантом топологии РНК является взаимодействие вторичной структуры, которое включает такие мотивы, как псевдоузлы и петли поцелуев, смежные спирали, накладывающиеся друг на друга, петли шпильки с содержимым выпуклости и коаксиальные стопки. Это в значительной степени результат четырех разных нуклеотидов: аденин (А), цитозин (С), гуанин (G) и урацил (U), и способность формировать неканонические пар оснований.

Также существуют более сложные и дальнодействующие третичные взаимодействия РНК. ДНК не может образовывать 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 разнообразные каталитические способности.[10] Благодаря этой связи с ферментами, структуры РНК потенциально могут быть выращены в живых клетках и использованы для организации клеточных ферментов в отдельные группы.

Кроме того, молекулярный распад ДНК оригами нелегко встроить в генетический материал организма. Однако РНК-оригами может быть записана непосредственно как ген ДНК и транскрибирована с помощью РНК-полимеразы. Следовательно, 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] Возможность и экономическая эффективность производства РНК в живых клетках в сочетании с дополнительной функциональностью структуры РНК являются многообещающими для развития РНК-оригами.

Приложения

РНК-оригами - это новая концепция, которая имеет большой потенциал для применения в наномедицине и синтетической биологии. Этот метод был разработан, чтобы позволить новое создание больших наноструктур РНК, которые создают определенные каркасы для объединения функций на основе РНК. Поскольку РНК-оригами находится в зачаточном состоянии, многие из ее потенциальных приложений 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 дает возможности для создания будущих наноустройств на основе РНК. РНК-оригами также можно использовать в таких областях, как распознавание и связывание клеток для диагностики. Дополнительно адресная доставка и гематоэнцефалический барьер прохождения были изучены.[6] Возможно, наиболее важным будущим применением РНК-оригами является создание каркасов для упорядочивания других микроскопических белков и их взаимодействия друг с другом.[8]

использованная литература

  1. ^ "Запрограммирован на складывание: РНК оригами | Калифорнийский технологический институт". Калифорнийский технологический институт. Получено 2017-10-09.
  2. ^ а б c «Ученые складывают оригами РНК из одной нити - лента новостей науки». www.sciencenewsline.com. Получено 2017-11-20.
  3. ^ Нанотехнологии нуклеиновых кислот | SpringerLink (PDF). Нуклеиновые кислоты и молекулярная биология. 29. 2014. Дои:10.1007/978-3-642-38815-6. ISBN  978-3-642-38814-9.
  4. ^ Симан, Надриан К. (2005). Структурная нанотехнология ДНК: обзор. Методы молекулярной биологии. 303. С. 143–166. Дои:10.1385 / 1-59259-901-X: 143. ISBN  978-1-59259-901-1. ISSN  1064-3745. ЧВК  3478330. PMID  15923682.
  5. ^ Го, Пэйсюань (декабрь 2010 г.). "Новое направление нанотехнологий РНК". Природа Нанотехнологии. 5 (12): 833–842. Bibcode:2010НатНа ... 5..833Г. Дои:10.1038 / nnano.2010.231. ISSN  1748-3387. ЧВК  3149862. PMID  21102465.
  6. ^ а б Афонин Кирилл А; Биндевальд, Эккарт; Ягубиан, Алан Дж .; Восс, Нил; Яковетти, Эрика; Шапиро, Брюс А .; Джегер, Люк (сентябрь 2010 г.). «Сборка in vitro каркасов на основе кубической РНК, созданных in silico». Природа Нанотехнологии. 5 (9): 676–682. Bibcode:2010НатНа ... 5..676А. Дои:10.1038 / nnano.2010.160. ISSN  1748-3387. ЧВК  2934861. PMID  20802494.
  7. ^ Гири, Коди; Ротемунд, Пол В. К .; Андерсен, Эббе С. (2014-08-15). «Одноцепочечная архитектура для котранскрипционного сворачивания наноструктур РНК» (PDF). Наука. 345 (6198): 799–804. Bibcode:2014Наука ... 345..799G. Дои:10.1126 / science.1253920. ISSN  0036-8075. PMID  25124436.
  8. ^ а б c d Sparvath, Steffen L .; Гири, Коди У .; Андерсен, Эббе С. (2017). 3D-наноструктура ДНК. Методы молекулярной биологии. 1500. Humana Press, Нью-Йорк, Нью-Йорк. С. 51–80. Дои:10.1007/978-1-4939-6454-3_5. ISBN  9781493964529. PMID  27813001.
  9. ^ Ротемунд, Пол В. К. (16 марта 2006 г.). «Складывание ДНК для создания наноразмерных форм и узоров» (PDF). Природа. 440 (7082): 297–302. Bibcode:2006Натура.440..297R. Дои:10.1038 / природа04586. ISSN  0028-0836. PMID  16541064.
  10. ^ Альбертс, Брюс; Джонсон, Александр; Льюис, Джулиан; Рафф, Мартин; Робертс, Кейт; Уолтер, Питер (2002). «Мир РНК и истоки жизни». Цитировать журнал требует | журнал = (Помогите)
  11. ^ «Ученые складывают РНК-оригами из одной нити». ScienceDaily. Получено 2017-10-09.