Laver origami ud af RNA

Inden for nanoforskningsverdenen bliver forskerne bedre og bedre til at designe lige præcis det ud fra livets allermindste byggesten, som de gerne vil.

Det har nu ledt til, at forskere har udviklet en metode til design af RNA-strukturer. Metoden kaldes for ”RNA-origami”, idet forskerne på samme måde som ved den japanske papirfoldningskunst kan forme RNA-strenge til alt fra cylindere og kasser til nanoversioner af Hubble-rumteleskopet.

Metoden er dog ikke udelukkende udviklet til fis og ballade, men skubber til grænserne for det mulige og kan benyttes til meget præcist at lave lægemidler med helt specifikke effekter i kroppen.

"RNA-medicin vinder frem i disse år, og det gælder især de mRNA-vacciner, som blev udviklet i forbindelse med coronapandemien. Men der udvikles også RNA-medicin, som blandt andet tænder og slukker for forskellige gener for derigennem at have effekt på sundhed og sygdom. Med RNA-origami kan vi lave RNA-strukturer, der er mere præcise i forhold til en given effekt i kroppen, eller som kun virker ét bestemt sted i kroppen fremfor over alt," forklarer en af forskerne bag udviklingen af RNA-origami, lektor Ebbe Sloth Andersen fra Interdisciplinary Nanoscience Center (iNANO) ved Aarhus Universitet.

Forskningen er offentliggjort i Nature Nanotechnology.

Naturen er forskernes bedste værktøj

Ved RNA-origami udnytter forskerne, at strenge af RNA helt automatisk folder op og danner strukturer ud fra sekvensen af de molekylære byggesten.

De molekylære byggesten er såkaldte nukleotider, og dem findes der faktisk kun fire af i en RNA-streng. Det drejer sig om adenin, guanin, cytosin og uracil.

Sekvensen af disse fire nukleotider får RNA-strengen til at folde om sig selv i helt forudbestemte vinkler og former, og det er det, som forskerne udnytter til at folde RNA-strengene i præcise tredimensionelle figurer.

"Naturen er vores grundværktøj. Bare vi sætter nukleotiderne sammen i den rigtige rækkefølge, former RNA-strengene den struktur, som vi ønsker. Det kan være kasser, cylindere eller mere komplekse former, men det kan også være former med specifikke medicinske egenskaber," forklarer Ebbe Sloth Andersen.

Udviklede computerprogram til at designe RNA-strenge

Den svære del af RNA-origami er at finde ud af, hvordan nukleotiderne skal sidde på én lang række i en RNA-streng, for at de automatisk folder op og danner for eksempel små satellitter i nanostørrelse.

Til det formål har forskerne udviklet et computerprogram, der ud fra forståelsen af, hvordan de forskellige nukleotider interagerer med hinanden, kan omdanne et blueprint af en tredimensionel struktur til en RNA-sekvens, der helt naturligt vil folde op og danne den designede struktur.

"Vores computerprogram bruger nogle termodynamiske algoritmer, som finder den optimale sekvens for at danne en given struktur. Når så softwaren har regnet ud, hvordan RNA-sekvensen skal se ud, sender vi opskriften til et firma, som sammensætter en DNA-streng efter vores forskrifter, og som vi efterfølgende i laboratoriet kan afskrive til RNA ved hjælp af en RNA-polymerase," forklarer Ebbe Sloth Andersen.

Overraskende langsom foldning af RNA

I forskningen har Ebbe Sloth Andersen sammen med sine kollegaer lavet en hel masse undersøgelser for at blive klogere på, hvordan sekvensen på en RNA-streng giver en given tredimensionel struktur.

Til det formål har de blandt andet lavet mange undersøgelser med såkaldt cryo-EM, der er en undersøgelsesmetode, som forskere ofte bruger, når de skal kortlægge molekylære strukturer helt præcist.

På den måde kunne forskerne se, hvordan en RNA-streng, der ud fra computermodellen skulle folde op i en given struktur, rent faktisk endte med at se ud.

Forskerne har også brugt andre teknikker, herunder SAXS (small-angle X-ray scattering), der kan måle strukturændringer ”live” i forbindelse med RNA-foldningen.

SAXS-undersøgelser af en RNA-cylinder, som forskerne havde designet, viste, at RNA-strukturen blev fanget i det, som forskerne kalder for en ”foldningsfælde”, og var hele 10 timer om at lave den endelige struktur.

Ifølge Ebbe Sloth Andersen var det en stor overraskelse, da RNA normalt foldes på under ét sekund.

Vil udvikle nye former for medicin og vacciner

Som sagt kan RNA-origami bruges til andet end at lave cylindere, kasser og rumteleskoper, som ingen alligevel kan se med det blotte øje.

Ebbe Sloth Andersen fortæller, at teknikken gør det muligt for forskere på forskellige måder at designe RNA-medicin, der kan kastes ind i kampen mod en lang række sygdomme.

Problemet med at bruge RNA medicinsk i dag er, at det er meget svært at dirigere medicinen til forskellige væv i kroppen, da det hele for det meste alligevel ender i leveren, hvis det da ikke bliver nedbrudt af immunforsvaret forinden.

Her forestiller Ebbe Sloth Andersen sig, at det med specifikke og unikke foldninger af RNA kan være muligt at sende RNA derhen i kroppen, hvor det skal have en effekt, om det så er til organerne, immunforsvaret eller endda hjernen. Det er også muligt at tilføje kemiske modifikationer, så RNA-medicinen ikke bliver nedbrudt, så snart det bliver skudt ind i kroppen.

Opdagelsen af en RNA-foldningsfælde rummer i sig selv nogle interessante medicinske muligheder, idet forskerne håber på at kunne udnytte den slags mekanismer til at aktivere RNA-medicin på det rette tidspunkt og sted i kroppen.

"RNA kan på forskellige måder virke medicinsk. Det kan bruges til at aktivere immunforsvaret, som vi så det med mRNA-vaccinerne mod coronavirus. Men RNA kan også tænde eller slukke for gener, regulere hvordan RNA bliver klippet i og splejset i splejsningsprocesser eller i sig selv bære en medicinsk funktion som skabelon for dannelsen af proteiner," forklarer han.

En af de ting, som forskerne selv vil arbejde videre med, er udvikling af mRNA-vacciner, som kun bliver aktiveret det rette sted i kroppen og derved har en effekt direkte på immuncellerne. Derved vil man kunne bruge lavere dosis af RNA-medicin og undgå bivirkninger.