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奥胡斯大学和伯克利实验室的研究人员设计了RNA分子，可以折叠成纳米级的矩形、圆柱体和卫星，并使用先进的纳米技术方法研究了它们的3D结构和动力学。在《自然纳米技术》杂志的一篇文章中，研究人员描述了他们的工作，以及它如何导致发现RNA折叠的规则和机制，这将使构建更理想的功能性RNA颗粒成为可能，用于基于RNA的医学。
视频显示了同一RNA分子的两种不同形状，以及它们之间的过渡。在视频的第一部分，中心“kissing loop”互动的一部分用红色标记出来。在视频的最后一部分，展示了中心“kissing loop”相互作用的碱基对，以强调它们在过渡过程中是如何断裂和重组的。
资料来源:奥胡斯大学Ewan K. S. McRae
RNA分子通常被认为是DNA和蛋白质之间的信使，但它也可以折叠成复杂的分子机器。核糖体是自然存在的RNA机器的一个例子，它在所有细胞中都起着蛋白质工厂的作用。受天然RNA机器的启发，跨学科纳米科学中心(iNANO)的研究人员开发了一种称为“RNA折纸”的方法，使设计由单个RNA折叠的人工RNA纳米结构成为可能。这种方法的灵感来自日本的折纸艺术——折纸艺术，在折纸艺术中，一张纸可以被折叠成给定的形状，比如纸鸟。
这篇发表在《自然纳米技术》上的研究论文描述了RNA折纸技术如何被用于设计RNA纳米结构，这些结构是由丹麦国家低温电子显微镜设备EMBION的低温电子显微镜(cro - em)表征的。Cryo-EM是一种确定生物分子3D结构的方法，其工作原理是快速冻结样本，使水没有时间形成冰晶，这意味着冷冻的生物分子可以用电子显微镜更清晰地观察到。数千个分子的图像可以在计算机上转换成3D地图，用于构建分子的原子模型。低温电镜研究为RNA折纸的详细结构提供了有价值的见解，这可以优化设计过程，从而得到更理想的形状。
奥胡斯大学iNANO副教授Ebbe Sloth Andersen解释说:“有了冷冻电镜的精确反馈，我们现在有机会微调分子设计，并构建越来越复杂的纳米结构。”
RNA圆柱体样本的冷冻电镜图像包含两种非常不同的形状，通过在不同时间冷冻样本，很明显，两种形状之间正在发生转变。利用小角度x射线散射(SAXS)技术，在样品没有冻结的情况下，研究人员能够实时观察到这种转变，并发现折叠转变发生在大约。10个小时。研究人员发现了一种所谓的“折叠陷阱”，RNA在转录过程中被困住，后来才被释放出来(见视频)。
奥胡斯大学化学和iNANO系教授Jan Skov Pedersen说:“发现一种RNA分子的折叠速度如此之慢，真是令人惊讶，因为折叠通常在不到一秒钟的时间内发生。”
该研究的第一作者Ewan McRae解释说:“我们希望能够利用类似的机制，在患者体内的正确时间和位置激活RNA疗法。”Ewan McRae目前正在美国德克萨斯州休斯顿卫理公会研究所的“RNA疗法中心”组建自己的研究小组。
为了证明复杂形状的形成，研究人员将RNA矩形和圆柱体结合起来，创建了一个多域“纳米卫星”形状，灵感来自哈勃太空望远镜。
“我设计了纳米卫星，作为RNA设计如何让我们探索折叠空间(折叠的可能性空间)和细胞内空间的象征，因为纳米卫星可以在细胞中表达，”最初开发RNA折纸方法的iNANO助理教授Cody Geary说。
然而，这颗卫星由于其灵活的特性，被证明很难用冷冻电镜来表征，所以样本被送到了美国的一个实验室，在那里他们专门通过电子断层扫描来确定单个粒子的3D结构，即所谓的ipet方法。
“RNA卫星是一个巨大的挑战!但通过使用我们的IPET方法，我们能够表征单个粒子的3D形状，从而确定纳米卫星上动态太阳能电池板的位置，”美国加利福尼亚州劳伦斯伯克利国家实验室分子代工厂的Gary Ren说。
RNA折纸的研究有助于改进RNA分子在医学和合成生物学中的合理设计。由诺和诺德基金会支持的一个新的跨学科联盟COFOLD将继续研究RNA折叠过程，包括来自计算机科学、化学、分子生物学和微生物学的研究人员，以更高的时间分辨率设计、模拟和测量折叠。
“随着RNA设计问题的部分解决，创造功能性RNA纳米结构的道路现在是开放的，它可以用于基于RNA的药物，或作为RNA调节元件重新编程细胞，”Ebbe Sloth Andersen预测。
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