Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Механизм РНК-оригами.

РНК-оригами - это складывание РНК в наномасштабе , 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 ферментами, которые превращают РНК в определенные формы. Сворачивание РНК происходит в живых клетках в естественных условиях. РНК-оригами представляет собой ген ДНК , 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 единственной последовательности. [2]

Обзор [ править ]

РНК адаптированные мотивы

В нанотехнологии 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 формы и расположения мишеней. Он использовался во множестве ситуаций, включая наноробототехнику, алгоритмические массивы и сенсорные приложения. Будущее ДНК-нанотехнологий наполнено возможностями для приложений. [4]

Успех нанотехнологии ДНК позволил дизайнерам развивать нанотехнологию РНК 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, благоприятные свойства in vivo и восходящая самосборка - идеальный путь для разработки биоматериалов и доставки лекарств в виде наночастиц . Для конструирования этих наночастиц РНК было разработано несколько методов, включая кубический каркас РНК, [6] шаблонную и нестандартную сборку и 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 РНК-оригами. После кодирования в виде синтетического гена ДНК добавление РНК-полимеразы привело к образованию РНК-оригами. Наблюдение за РНК в основном проводилось с помощью атомно-силовой микроскопии , метода, который позволяет исследователям смотреть на 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 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]

Компьютерный дизайн [ править ]

Компьютерное проектирование структуры оригами РНК требует трех основных процессов; создание 3D-модели, написание 2D-структуры и проектирование последовательности. Сначала создается трехмерная 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 прядей и пары оснований из 3D-модели. Этот 2D-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 представляет собой проект многонитевого DX, обычно используемого в ДНК-оригами. Правая панель представляет собой дизайн однониточного DX, в который вставлены шпильки, петли для поцелуев и шов в виде ласточкина хвоста.

Двойной кроссовер (DX) [ править ]

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 типа «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 [ править ]

Наноструктуры РНК и ДНК используются для организации и координации важных молекулярных процессов. Однако существует несколько явных различий между фундаментальной структурой и приложениями между ними. Несмотря на то, вдохновленные ДНК оригами методов , установленных Paul Ротемунд , [9] процесс 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 только недавно.

В отличие от ДНК-оригами, которое включает химический синтез цепей ДНК и организацию цепей для образования любой желаемой формы с помощью «основных цепей», оригами РНК создается с помощью ферментов и впоследствии складывается в заранее 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 вторичных структур, которое включает такие мотивы, как псевдоузлы и петли поцелуев, соседние спирали, накладывающиеся друг на друга, петли шпильки с содержимым выпуклости и коаксиальные стопки. Это в значительной степени результат четырех разных нуклеотидов: аденина (A), цитозина (C), гуанина.(G) и урацил (U), а также способность образовывать неканонические пары оснований .

Существуют также более сложные и дальнодействующие третичные взаимодействия РНК. ДНК неспособна 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] Из-за 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 можно записать непосредственно как ген ДНК и транскрибировать с помощью РНК-полимеразы. Следовательно, хотя 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 является многообещающим для развития РНК-оригами.

Приложения [ править ]

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 используется в таких областях, как распознавание и связывание клеток для диагностики. Кроме того, были изучены адресная доставка и прохождение гематоэнцефалического барьера . [6] Возможно, наиболее важным будущим применением РНК-оригами является создание каркасов для упорядочивания других микроскопических белков и их взаимодействия друг с другом. [8]

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Запрограммировано складывать: оригами РНК | Калифорнийский технологический институт" . Калифорнийский технологический институт . Проверено 9 октября 2017 .
  2. ^ a b c «Ученые складывают оригами РНК из одной нити - лента новостей науки» . www.sciencenewsline.com . Проверено 20 ноября 2017 .
  3. ^ Нанотехнология нуклеиновых кислот | SpringerLink (PDF) . Нуклеиновые кислоты и молекулярная биология. 29 . 2014. DOI : 10.1007 / 978-3-642-38815-6 . ISBN  978-3-642-38814-9. S2CID  44920215 .
  4. ^ Симэн, Nadrian C. (2005). «Структурная нанотехнология ДНК: обзор». Нано биотехнологии протоколы . Методы молекулярной биологии. 303 . С. 143–166. DOI : 10.1385 / 1-59259-901-X: 143 . ISBN 978-1-59259-901-1. ISSN  1064-3745 . PMC  3478330 . PMID  15923682 .
  5. ^ Го, Peixuan (декабрь 2010). «Новое направление в нанотехнологиях РНК» . Природа Нанотехнологии . 5 (12): 833–842. Bibcode : 2010NatNa ... 5..833G . DOI : 10.1038 / nnano.2010.231 . ISSN 1748-3387 . PMC 3149862 . PMID 21102465 .   
  6. ^ a b Афонин Кирилл А; Биндевальд, Эккарт; Ягубиан, Алан Дж .; Восс, Нил; Яковетти, Эрика; Шапиро, Брюс А .; Джегер, Люк (сентябрь 2010 г.). «Сборка in vitro кубических каркасов на основе РНК, разработанных in silico» . Природа Нанотехнологии . 5 (9): 676–682. Bibcode : 2010NatNa ... 5..676A . DOI : 10.1038 / nnano.2010.160 . ISSN 1748-3387 . PMC 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 : 2014Sci ... 345..799G . DOI : 10.1126 / science.1253920 . ISSN 0036-8075 . PMID 25124436 . S2CID 5903435 .    
  8. ^ a b c d Sparvath, Steffen L .; Гири, Коди У .; Андерсен, Эббе С. (2017). 3D-наноструктура ДНК . Методы молекулярной биологии. 1500 . Humana Press, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. С. 51–80. DOI : 10.1007 / 978-1-4939-6454-3_5 . ISBN 9781493964529. PMID  27813001 .
  9. ^ Rothemund, Paul WK (2006-03-16). «Складывание ДНК для создания наноразмерных форм и узоров» (PDF) . Природа . 440 (7082): 297–302. Bibcode : 2006Natur.440..297R . DOI : 10,1038 / природа04586 . ISSN 0028-0836 . PMID 16541064 . S2CID 4316391 .    
  10. ^ Альбертс, Брюс; Джонсон, Александр; Льюис, Джулиан; Рафф, Мартин; Робертс, Кейт; Уолтер, Питер (2002). «Мир РНК и истоки жизни» . Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  11. ^ "Ученые складывают РНК оригами из одной нити" . ScienceDaily . Проверено 9 октября 2017 .