Technika „origami” dostarcza nowych narzędzi na potrzeby biologii syntetycznej
Biologia syntetyczna, która polega na modyfikowaniu istniejących organizmów poprzez zastosowanie technik informatycznych i inżynieryjnych, daje ogromne możliwości w dziedzinach biotechnologii przemysłowej i medycyny. Choć jest to jeszcze młoda dyscyplina, naukowcy są już w stanie zaprogramować komórki tak, aby działały jak „fabryki” produkujące pożądane leki lub biopaliwa, a także badają możliwości programowania komórek do wykrywania i niszczenia nowotworów. „Jedną z przeszkód jest jednak to, że elementy genetyczne nie zawsze mają tak modułowy charakter, jak byśmy tego chcieli”, wyjaśnia koordynator projektu RNA ORIGAMI Ebbe Sloth Andersen, profesor nadzwyczajny na Uniwersytecie w Aarhus w Danii. „Systemy biologiczne są bardzo złożone. Odrywanie elementów genetycznych od ich kontekstu nie zawsze się sprawdza”.
Praca od podstaw
Andersen uważa, że rozwiązaniem tego problemu mogłoby być przeprojektowanie elementów genetycznych od podstaw, a kluczową technologią wspomagającą to przedsięwzięcie może być technika zwana RNA origami. „Metoda RNA origami jest inspirowana japońską sztuką składania papieru”, mówi Andersen. „Zamiast składać papier, składamy pojedynczą nić RNA. Metoda ta pozwala nam na genetyczne kodowanie nanostruktur RNA i ich ekspresję w komórkach”. Andersen jest pionierem tej techniki. Zainspirowany współpracą z Paulem Rothemundem – pionierem techniki DNA origami – w Kalifornijskim Instytucie Technicznym, zaczął stosować tę technikę do cząsteczek RNA w swoim własnym laboratorium. Powodzenie doprowadziło do rozpoczęcia projektu RNA ORIGAMI finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych. W ramach tego projektu Andersen starał się zastosować swoje badania podstawowe do zastosowań biologii syntetycznej w świecie rzeczywistym. Wiązało się to z opracowaniem narzędzi do projektowania wspomaganego komputerowo, ułatwiających tworzenie nanostruktur RNA. „Projekt wymagał specjalistycznej wiedzy z szeregu obszarów badawczych”, zauważa Andersen. „Punktem wyjścia było zatem zatrudnienie naukowców z doświadczeniem w dziedzinach bioinformatyki, biofizycznych technik charakteryzacji, biochemii RNA i biologii syntetycznej. We współpracy opracowaliśmy spójny proces rozciągający się od projektowania komputerowego, poprzez syntezę i charakteryzację, aż po zastosowania w biologii syntetycznej”.
Leki oparte na RNA
Zespołowi udało się opracować narzędzia programowe zdolne do projektowania struktur RNA origami o większych rozmiarach i złożoności. Jest to otwarte oprogramowanie dostępne dla społeczności badawczej. „Mamy nadzieję, że zainspiruje to badaczy do wykorzystania tej technologii”, mówi Andersen. „Ten projekt pozwolił mi zrealizować moje cele, jakimi były: dopracowanie tej technologii RNA, ulepszenie oprogramowania oraz wyznaczenie nowych kierunków dla nanotechnologii RNA”. Wyniki te podkreśliły potencjał wykorzystania racjonalnie zaprojektowanych cząsteczek RNA jako narzędzi na potrzeby biologii syntetycznej. Jak wyjaśnia Andersen, główną zaletą struktur RNA origami, jest to, że mogą one służyć jako rusztowania do mocowania i organizacji molekularnych składników komórki. W ramach projektu opracowano na przykład genetycznie zakodowane czujniki informujące o stężeniach metabolitów w komórkach. Rusztowania RNA origami umieszczono wewnątrz komórek, aby móc kontrolować szlaki metaboliczne. Andersen twierdzi, że kluczowym obszarem do dalszego wykorzystania tej techniki jest medycyna. „Dzięki powstaniu szczepionek opartych na RNA podczas pandemii COVID-19 medycyna RNA znalazła się w centrum uwagi”, dodaje. „W technologii tej drzemie ogromny potencjał. Pozwala nam na ekspresję RNA w komórkach na przykład w celu manipulowania właściwościami komórek lub też użycie RNA jako cząsteczek, które mają być dostarczane do organizmu jako lekarstwa”. Andersen pragnie również kontynuować prace nad teoretyczną stroną technologii, aby dalej ją rozwijać i zwiększyć jej funkcjonalność. „Przede wszystkim wciąż interesuje mnie zrozumienie zasad składania RNA i rozwój technologii RNA origami, aby dowiedzieć się, do czego może nam posłużyć”, mówi.
Słowa kluczowe
RNA ORIGAMI, RNA, biologiczny, komórki, biotechnologia, medycyna, nanostruktury, syntetyczny
