UCLA-Forscher bauen programmierbare künstliche Organellen mithilfe von RNA

So wie der menschliche Körper für wesentliche Funktionen auf Organe wie das Herz oder die Leber angewiesen ist, sind Zellen auf ihre eigenen winzigen Organe oder Organellen angewiesen, um lebenswichtige Aufgaben zu erfüllen, darunter den Transport von Nährstoffen, die Beseitigung von Abfallstoffen und die Regulierung der genetischen Aktivität.

Jetzt hat ein Team von UCLA-Forschern eine neue Methode entwickelt, um programmierbare künstliche Organellen in lebenden Zellen zu bauen, wobei RNA sowohl als Material als auch als Bauplan dient. Der Ansatz ermöglicht es Forschern, tröpfchenartige Zellkompartimente zu entwerfen, die sich auf vorhersehbare Weise zusammensetzen und deren Entstehung und Ort sowie die Rekrutierung von Molekülen kontrolliert werden kann. Eine Studie, die den neuen Ansatz beschreibt, wurde am 29. April veröffentlicht Natur-Nanotechnologie.

Einige Organellen sind von Membranen umgeben, andere sind membranlose, tröpfchenartige Ansammlungen von Proteinen und RNA, die als biomolekulare Kondensate bekannt sind. Diese Strukturen bilden sich nach Bedarf und fungieren als temporäre Arbeitsräume, in denen sich Moleküle sammeln, um bestimmte Funktionen effizienter auszuführen. Künstliche Kondensate haben sich als vielversprechendes Werkzeug in der synthetischen Biologie herausgestellt und bieten eine Möglichkeit, die innere Umgebung der Zelle neu zu organisieren und chemische Reaktionen und Genaktivitäten zu steuern.

Im Gegensatz zu früheren Ansätzen, die auf natürlich aggregierenden Proteinen basieren, kodiert diese Methode Montageanweisungen direkt in die RNA-Sequenz und -Struktur und ermöglicht so die Gestaltung von Kondensaten mit präzisen Interaktionsregeln und einstellbaren Eigenschaften.

Diese Forschung ist ein Schritt in Richtung architektonischer Gestaltung des Zellinneren. Durch die Verwendung von RNA als Baumaterial können wir anpassbare Kompartimente innerhalb von Zellen schaffen und dabei weniger zelluläre Ressourcen verbrauchen als proteinbasierte Ansätze.“

Elisa Franco, Studienleiterin, Professorin für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik und Bioingenieurwesen, UCLA Samueli School of Engineering

Um die Kondensatbildung voranzutreiben, entwarfen die Forscher kurze RNA-Stränge, die sich zu Strukturen falten, die sie „Nanosterne“ nennen und die jeweils über drei oder mehr Arme verfügen. An den Spitzen dieser Arme befinden sich komplementäre Sequenzen, sogenannte „Kissing Loops“, die sich aneinander binden und es den Nanosternen ermöglichen, sich zu größeren Netzwerken zusammenzufügen. Da RNA vorhersehbaren Basenpaarungsregeln folgt, können die Strukturen so programmiert werden, dass sie sich auf bestimmte Weise bilden.

Das Team demonstrierte auch die Fähigkeit, die Größe, Zusammensetzung und Lage der Kondensate anzupassen. Durch die Veränderung der Anzahl und Länge der Nanosternarme oder der Stärke ihrer Wechselwirkungen könnten die Forscher die Orte verschieben, an denen sich Kondensate innerhalb der Zelle bilden, unter anderem zwischen dem Zytoplasma und dem Zellkern, wo sie unterschiedliche Funktionen erfüllen.

„Wir können steuern, wie und wo sich diese RNA-Tröpfchen bilden und was sie anziehen, und so effektiv neue, temporäre Räume innerhalb der Zelle schaffen, die mit ausgewählten molekularen Werkzeugen ausgestattet sind“, sagte der Erstautor der Studie, Shiyi Li, ein Doktorand im Bereich Bioingenieurwesen und Mitglied von Francos Dynamic Nucleic Acid Systems Lab.

Mit der Weiterentwicklung der Technologie könnten diese programmierbaren Kondensate die Schaffung synthetischer Organellen in lebenden Zellen mit speziellen biologischen Funktionen ermöglichen und so neue Möglichkeiten in der Nanomedizin, Genetik und Zelltechnik eröffnen.

Weitere Autoren des Artikels sind Neil Lin, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, Luft- und Raumfahrttechnik und Bioingenieurwesen an der UCLA Samueli; Kathrin Plath, Professorin am UCLA Broad Stem Cell Research Center; und außerordentliche Professorin Melody Li und Professor Douglas Black, beide von der Abteilung für Mikrobiologie, Immunologie und Molekulargenetik der UCLA. Zu ihnen gesellt sich Dino Osmanovic, ein Projektwissenschaftler in Francos Gruppe; Postdoktoranden Anli Tang und Wen Xiao; Doktoranden Eric Payson, Alexandra Bermudex und Maria Nieto; und die Studenten Yuna Kim, Kevin Wang, Madison Yang und Diego Dilao.

Die Forschung wurde von der National Science Foundation, der Alfred P. Sloan Foundation und den National Institutes of Health finanziert. Die UCLA Technology Development Group hat einen Patentantrag für die Technologie eingereicht.

Quellen: