RNA is een prima bouwsteen om uiteenlopende, goed gedefinieerde structuren op nanoschaal te bouwen. Of beter: te laten ontstaan, want de kracht van RNA-origami is juist dat de RNA strengen via zelf-assemblage en ingeprogrammeerde vouwing uiteindelijk de gewenste, driedimensionale vorm bereiken. Zoals een keurig bundeltje onderling verbonden helices bijvoorbeeld die samen een grotere, holle cilinder vormen waar je een lading mee kunt vervoeren. Of juist een vlakke stappeling van helices die als een soort ‘wand’ fungeren en waarmee je ‘steigers’ kunt bouwen voor toepassingen in de synthetische biologie.  

Ontwerpregels  

Ideeën voor ontwerpen te over, maar de grote vraag bij RNA-origami, en ook bij het iets verder gevorderde veld van DNA-origami, blijft welke sequentie je nodig hebt om precies die structuur op te leveren die je voor ogen hebt. Er is behoefte aan duidelijke design principles; ontwerpregels zodat je op een rationele manier te werk kunt gaan. Maar het achterhalen van die regels vraagt wel een heel gedetailleerd inzicht in de ontstane RNA-structuren.  

Tot nu toe zijn deze structuren vooral bestudeerd met atomic force microscopie en transmissie elektronenmicroscopie. Het nadeel van deze technieken is dat de RNA-bouwsels aan een oppervlak zijn gehecht en dat verstoort niet alleen de structuur, maar het komt ook niet overeen met de uiteindelijke omgeving waarin die structuren zich vouwen en moeten functioneren, namelijk in de waterige omgeving van biologisch weefsel.  

Bevriezen 

Onderzoekers van de Universiteit van Aarhus in Denemarken kozen daarom voor cryo-EM (elektronenmicroscopie met bevroren samples) om een setje veelgebruikte RNA-origami structuurelementen met zeer hoge resolutie te bestuderen. Op deze manier bevinden de RNA-structuren zich in een veel natuurlijker conformatie, want ze zijn gevouwen in oplossing en zitten nergens aan vast.  

‘Een zeer interessante paper’, zegt Tom de Greef, hoogleraar synthetische biologie aan de TU Eindhoven. ‘Door cryo-EM te gebruiken slagen de auteurs erin om de structuren veel beter te karakteriseren en daarmee bedoel ik dat de condities veel meer overeenkomen met de werkelijke situatie door de interactie met water.’  

Zo bleek onder meer dat een eerdere aanname over de parallelle ordening van helices in een bundel niet te kloppen. De helices prefereren een kleine hoek ten opzichte van elkaar. Een andere aanname, dat zogeheten kissing loops - waarbij de RNA streng een haarspeldstructuur vormt en weer aan zichzelf plakt - altijd een strakke 180 graden bocht vormen en uit 8-9 baseparen bestaan, hield wel stand. Een opvallende vondst was het optreden van een kinetic folding trap bij een van de ontwerpen. Hier vormt zich in eerste instantie een andere structuur dan gedacht en pas na tien uur nemen de strengen de beoogde, thermodynamisch meest gunstige, structuur aan.  

De cyclus van ontwerpen - bouwen - testen - leren die de auteurs volgen, levert inzicht in de ontwerpregels, aldus De Greef. ‘Ze ontdekken zo belangrijke parameters voor de vorming van loops en kinetische traps tijdens het vouwproces en ze laten zien dat ze het ontwerp kunnen aanpassen om deze parameters te optimaliseren en de traps kunnen voorkomen.’ Het gebruik van cryo-EM voor de structuurbepaling is hierbij cruciaal. ‘Het laat zien dat analyse met methoden zoals cryo-EM, waarbij de RNA-origami vouwt in zijn natuurlijke omgeving, dus in aanwezigheid van water, heel erg belangrijk is om de vorming van deze structuren te kunnen optimaliseren.’

Ewan McRae, et al., Structure, folding and flexibility of of co-transcriptional RNA origami, Nature Nanotechnology (2023)