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RNA-protein Nanostructures for Synthetic Biology

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„Origami“-Technik als neues Werkzeug für die synthetische Biologie

Angelehnt an die japanische Kunst des Papierfaltens gelang einem europäischen Forschungsprojekt das Falten von RNA-Strängen und damit die „Umprogrammierung“ von Zellen. Dies könnte vor allem in der synthetischen Biologie und Medizin den Weg für wichtige neue Anwendungen ebnen.

Grundlagenforschung icon Grundlagenforschung

Die synthetische Biologie, bei der lebende Organismen durch computergestützte und biotechnologische Verfahren modifiziert werden, birgt enormes Potenzial für die industrielle Biotechnologie und Medizin. Obwohl man damit noch am Anfang steht, können Zellen bereits so zu „Fabriken“ umprogrammiert werden, dass sie die erforderlichen Medikamente oder Biokraftstoffe produzieren. Demnächst könnte durch eine solche zelluläre Programmierung sogar die Erkennung und Zerstörung von Tumoren gelingen. „Ein Hemmnis ist allerdings noch, dass sich genetische Elemente nicht in jedem Fall wie Bausteine hin- und herschieben lassen“, erklärt Ebbe Sloth Andersen, Koordinator des Projekts RNA-ORIGAMI und Dozent an der Universität Aarhus, Dänemark. „Da biologische Systeme sehr komplex sind, ist es nicht immer möglich, genetische Elemente einfach aus ihrer Umgebung zu reißen.“

Neu von Anfang an

Andersen zufolge ließe sich das Problem zum Beispiel lösen, indem genetische Elemente völlig neu zusammengebaut werden, und zwar mithilfe der Schlüsseltechnologie RNA-Origami. „Die RNA-Origami-Methode orientiert sich an der japanischen Kunst des Papierfaltens“, sagt Andersen, „nur, dass statt Papier ein einzelner RNA-Strang gefaltet wird. Mit dieser Methode lassen sich RNA-Nanostrukturen genetisch kodieren und in Zellen exprimieren.“ Andersen leistete Pionierarbeit auf diesem Gebiet. Inspiriert durch seine Zusammenarbeit mit Paul Rothemund – einem Vorreiter der DNA-Origami-Technik – am kalifornischen Technologieinstitut Caltech, wollte er dies nun im eigenen Labor an RNA-Molekülen ausprobieren. Nach den ersten Erfolgen wurde sein Projekt RNA-ORIGAMI über den Europäischen Forschungsrat finanziert. In dem Projekt sollte Andersen seine Grundlagenforschung für die synthetische Biologie praktisch anwendbar machen, u. a., um computergestützte Werkzeuge zu entwickeln, mit denen sich RNA-Nanostrukturen erzeugen lassen. „Voraussetzung für das Projekt war, kombinierte Expertise aus mehreren Forschungsbereichen anzuwerben“, erklärt Andersen. „Zunächst waren dies Bioinformatik, biophysikalische Analysemethoden, RNA-Biochemie und synthetische Biologie. Gemeinsam erstellten wir ein kohärentes Entwicklungskonzept, angefangen beim Computerdesign über Synthese und Charakterisierung bis hin zu angewandter synthetischer Biologie.“

RNA-Wirkstoffe

So wurden Softwareinstrumente entwickelt, mit denen größere und komplexere RNA-Origami-Strukturen gefaltet werden können, und die für die Forschung bereits kostenfrei verfügbar sind. „Wir hoffen, Forschenden damit Anreize zu geben, die Technologie anzuwenden“, sagt Andersen. „In diesem Projekt konnte ich meine Ziele verwirklichen, d. h. die RNA-Technologie und Software weiterzuentwickeln und neue Anwendungen für RNA-Nanotechnologien zu erschließen.“ Wie demonstriert wurde, eignen sich synthetisch erzeugte RNA-Moleküle als Werkzeuge in der synthetischen Biologie. Insbesondere könnten laut Andersen RNA-Origami-Strukturen wie Gerüste fungieren, um molekulare Zellkomponenten zu binden und zu organisieren. So wurden bereits genetisch kodierte Sensoren konstruiert, die die Metabolitenkonzentration in der Zelle messen, oder es wurden RNA-Origami-Gerüste in Zellen platziert, die Stoffwechselprozesse regulieren. Ein Schlüsselbereich für weitere Anwendungen wäre laut Andersen die Medizin. „Mit den neuen RNA-Impfstoffen, die gegen COVID-19 entwickelt wurden, ist die RNA-Medizin ins Blickfeld gerückt“, fügt er hinzu. „Und die Technologie hat enormes Potenzial, etwa, um RNA in Zellen zu exprimieren, Zelleigenschaften zu verändern oder RNA im Körper als therapeutische Partikel einzusetzen.“ Andersen will nun theoretische Grundlagenforschung betreiben, um die Technologie weiterzuentwickeln und ihre Funktionalität zu verbessern. „Grundlagenforschung zur RNA-Faltung bleibt für mich ein Schwerpunkt. Zudem möchte ich herausfinden, was mit RNA-Origami-Technologie noch alles möglich ist“, sagt er.

Schlüsselbegriffe

RNA ORIGAMI, RNA, biologisch, Zellen, Biotechnologie, Medizin, Nanostrukturen, synthetisch

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