RNA 종이접기

RNA origami
RNA 종이접기 메커니즘.

RNA 종이접기는 RNA의 나노 크기의 접힘으로, RNA가 이러한 [1]분자들을 조직하기 위해 특정한 모양을 만들 수 있게 한다.그것은 오르후스 대학과 캘리포니아 [2]공과대학의 연구자들에 의해 개발된 새로운 방법이다.RNA 종이접기는 RNA를 특정한 모양으로 접는 효소에 의해 합성된다.RNA의 접힘은 자연 상태에서 살아있는 세포에서 일어난다.RNA 종이접기는 RNA 중합효소에 의해 세포 내에서 RNA로 전사될 수 있는 DNA 유전자로 표현된다.RNA 접기를 돕기 위해 많은 컴퓨터 알고리즘이 존재하지만, 아무도 단일 [2]시퀀스의 RNA 접기를 완전히 예측할 수 없습니다.

개요

RNA 적응 모티브

핵산 나노 기술에서, 인공 핵산은 표적 약물 전달에서 프로그램 가능한 생체 [3]물질에 이르기까지 사용하기 위해 안정적인 구조로 자가 조립할 수 있는 분자 성분을 형성하도록 설계되었다.DNA 나노 기술은 DNA 모티브를 사용하여 표적 모양과 배치를 만듭니다.나노로봇, 알고리즘 어레이, 센서 애플리케이션 등 다양한 상황에서 사용되고 있습니다.DNA 나노 기술의 미래는 [4]응용의 가능성으로 가득 차 있다.

DNA 나노 기술의 성공으로 디자이너들은 RNA 나노 기술을 성장 분야로 개발할 수 있게 되었다.RNA 나노 기술은 DNA의 단순한 디자인과 조작 특성과 [5]단백질과 유사한 구조의 추가 유연성과 기능의 다양성을 결합합니다.RNA의 구조 및 기능, 유리한 생체 내 속성 및 상향식 자가조립은 생체 물질 및 나노 입자 약물 전달을 개발하기 위한 이상적인 방법입니다.RNA 입방체,[6] 템플릿 및 비템플릿 어셈블리, RNA 종이접기를 포함한 여러 가지 기술이 이러한 RNA 나노 입자를 만들기 위해 개발되었습니다.

RNA 종이접기의 첫 번째 연구는 Ebbe S에 의해 출판된 Science에 나타났다.오르후스 대학의 [7]안데르센입니다.오르후스 대학의 연구원들은 개별 RNA 종이접기를 디자인하기 위해 다양한 3D 모델과 컴퓨터 소프트웨어를 사용했습니다.한때 합성 DNA 유전자로 암호화되었던 RNA 중합효소를 첨가하면 RNA 종이접기가 형성되었다.RNA의 관찰은 주로 기존의 광현미경보다 수천 배 가까이 가까이에서 분자를 관찰할 수 있는 기술인 원자력 현미경을 통해 이루어졌다.그들은 벌집 모양을 만들 수 있었지만, 다른 모양도 가능하다고 결정했다.

RNA 종이접기 분야의 학자인 코디 기어리는 RNA 종이접기 방식의 독특함을 설명했다.그는 그것의 접는 레시피가 분자 자체에 암호화되어 있고, 그것의 배열에 의해 결정된다고 말했다.이 시퀀스는 RNA 종이접기에 최종 형태와 접히는 구조의 움직임을 모두 제공한다.RNA 종이접기와 관련된 주요 도전은 RNA가 스스로 접히고 쉽게 [2]엉킬 수 있다는 사실에서 비롯된다.

컴퓨터 지원 설계

RNA 종이접기 구조의 컴퓨터 지원 설계에는 3D 모델 작성, 2D 구조 작성, 시퀀스 설계 등 세 가지 주요 프로세스가 필요합니다.첫째, 기존 데이터베이스의 3차 모티브를 사용하여 3D 모델을 구축합니다.이는 생성된 구조가 실현 가능한 형상 및 변형률을 가지도록 하기 위해 필요합니다.다음 공정은 3D 모델에서 가닥 경로와 염기 쌍을 설명하는 2D 구조를 만드는 것입니다.이 2D 청사진은 시퀀스 제약을 도입하여 기본, 보조 및 3차 모티브를 만듭니다.마지막 단계는 설계된 구조와 호환되는 시퀀스를 설계하는 것입니다.설계 알고리즘을 사용하여 다양한 [8]구조로 접을 수 있는 시퀀스를 작성할 수 있습니다.

DNA와 RNA 종이접기가 빌딩 블록 [8]비교에 이중으로 교차합니다.왼쪽 패널은 DNA 종이접기에서 일반적으로 사용되는 다중 가닥 DX의 설계도입니다.오른쪽 패널은 헤어핀, 키스 루프, 도브테일 심 모티브를 삽입한 싱글 스트랜드 DX 디자인입니다.

더블 크로스오버(DX)

원하는 형상을 만들기 위해 RNA 종이접기 방법은 이중 크로소버(DX)를 사용하여 RNA 헬리스를 서로 평행하게 배열하여 구성 블록을 형성한다.DNA 종이접기는 여러 가닥의 DNA 분자를 만들어야 하는 반면, 연구자들은 RNA를 위해 한 가닥에서만 DX 분자를 만드는 방법을 고안할 수 있었다.이는 내부 나선형의 가장자리와 키스 루프 복합체에 헤어핀 모티브를 추가하여 수행되었습니다.서로 위에 더 많은 DNA 분자를 더하면 도브테일 봉합으로 알려진 접합부가 만들어집니다.이 도브테일 심은 인접한 접합부 사이를 가로지르는 베이스 쌍을 가지고 있습니다. 따라서 접합부를 따라 있는 구조 심은 시퀀스에 따라 다릅니다.이러한 접힘 상호작용의 중요한 측면은 접힘입니다. 상호작용이 형성되는 순서는 잠재적으로 하나의 상호작용이 다른 상호작용을 차단하여 매듭을 만드는 상황을 만들 수 있습니다.키스-루프 상호작용과 도브테일 상호작용은 반회전 또는 더 짧기 때문에 이러한 위상적인 문제를 [8]일으키지 않는다.

DNA 종이접기와의 비교

RNA와 DNA 나노구조는 중요한 분자 과정을 조직하고 조정하는 데 사용됩니다.그러나 기본 구조와 응용 프로그램 사이에는 몇 가지 뚜렷한 차이가 있습니다.Paul Rothemund에 [9]의해 확립된 DNA 종이접기 기술에 의해 영감을 받았지만, RNA 종이접기의 과정은 매우 다르다.RNA 종이접기는 DNA 종이접기보다 훨씬 새로운 과정이다; DNA 종이접기는 약 10년 동안 연구되어 왔지만, RNA 종이접기는 최근에야 시작되었다.

DNA 가닥을 화학적으로 합성해 원하는 형태로 배열하는 DNA 종이접기와는 달리 RNA 종이접기는 효소에 의해 만들어지고 그 후 미리 접힌 형태로 접힌다.RNA는 보존된 모티브와 짧은 구조적 요소와 같은 많은 2차 구조 모티브로 인해 복잡한 구조에서 독특한 방식으로 접힐 수 있습니다.RNA 토폴로지의 주요 결정 요인은 2차 구조 상호작용이며, 여기에는 의사 노트와 키스 루프, 서로 겹치는 인접 나선형, 벌지 함량이 있는 머리핀 루프 및 동축 스택과 같은 모티브가 포함된다.이것은 크게 아데닌(A), 시토신(C), 구아닌(G) 및 유라실(U)의 네 가지 다른 뉴클레오티드와 비 카논 염기쌍을 형성하는 능력의 결과이다.

또한 더 복잡하고 더 긴 범위의 RNA 3차 상호작용이 존재한다.DNA는 이러한 3차 모티브를 형성할 수 없으며, 따라서 보다 다용도적인 작업을 수행하는 데 있어 RNA의 기능적 용량에 필적할 수 없다.올바르게 접힌 RNA 분자는 활성 부위에 금속 이온을 배치하기 때문에 효소로 작용할 수 있습니다; 이것은 분자들에게 다양한 촉매 능력을 [10]제공합니다.효소에 대한 이러한 관계 때문에, RNA 구조는 잠재적으로 살아있는 세포 내에서 자랄 수 있고 세포 효소를 별개의 그룹으로 조직하는 데 사용될 수 있습니다.

또한 DNA 종이접기의 분자분할은 유기체의 유전물질에 쉽게 배합되지 않는다.그러나 RNA 종이접기는 DNA 유전자로 직접 쓰여지고 RNA 중합효소를 사용하여 전사될 수 있다.따라서 DNA 종이접기는 세포 밖에서 고가의 재배를 필요로 하는 반면 RNA 종이접기는 [11]박테리아를 키우는 것만으로 세포 내에서 대량으로 저렴한 양을 생산할 수 있다.살아있는 세포에서 RNA를 제조하고 RNA 구조의 추가 기능과 결합하는 것의 실현 가능성 및 비용 효율은 RNA 종이접기의 발전에 유망하다.

적용들

RNA 종이접기는 새로운 개념으로 나노의학과 합성생물학의 응용에 큰 잠재력을 가지고 있습니다.이 방법은 RNA 기반 기능을 결합하기 위해 정의된 발판을 만드는 대형 RNA 나노 구조의 새로운 창조를 가능하게 하기 위해 개발되었습니다.RNA 종이접기의 초기 단계 때문에, 그것의 많은 잠재적 적용은 여전히 발견 과정에 있다.그것의 구조는 RNA 성분의 기능을 가능하게 하는 안정적인 기반을 제공할 수 있다.이러한 구조에는 리보스위치, 리보자임, 상호작용 부위 및 압타머가 포함됩니다.압타머 구조는 미래의 RNA 기반 나노디바이스를 구성할 수 있는 가능성을 제공하는 작은 분자의 결합을 가능하게 한다.RNA 종이접기는 세포 인식 및 진단을 위한 결합과 같은 분야에서 더욱 유용합니다.또한 표적 분만과 혈액-뇌 장벽 통과가 [6]연구되었다.아마도 RNA 종이접기를 위한 가장 중요한 미래의 응용은 다른 미세한 단백질들을 배열하고 그것들이 서로 [8]함께 일할 수 있도록 하는 발판을 만드는 것이다.

레퍼런스

  1. ^ "Programmed to Fold: RNA Origami Caltech". The California Institute of Technology. Retrieved 2017-10-09.
  2. ^ a b c "Scientists Fold RNA Origami from a Single Strand - Science Newsline". www.sciencenewsline.com. Retrieved 2017-11-20.
  3. ^ Nucleic Acid Nanotechnology SpringerLink (PDF). Nucleic Acids and Molecular Biology. Vol. 29. 2014. doi:10.1007/978-3-642-38815-6. ISBN 978-3-642-38814-9. S2CID 44920215.
  4. ^ Seeman, Nadrian C. (2005). "Structural DNA Nanotechnology: An Overview". Nano Biotechnology Protocols. Methods in Molecular Biology. Vol. 303. pp. 143–166. doi:10.1385/1-59259-901-X:143. ISBN 978-1-59259-901-1. ISSN 1064-3745. PMC 3478330. PMID 15923682.
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  6. ^ a b Afonin, Kirill A; Bindewald, Eckart; Yaghoubian, Alan J.; Voss, Neil; Jacovetty, Erica; Shapiro, Bruce A.; Jaeger, Luc (September 2010). "In vitro Assembly of Cubic RNA-Based Scaffolds Designed in silico". Nature Nanotechnology. 5 (9): 676–682. Bibcode:2010NatNa...5..676A. doi:10.1038/nnano.2010.160. ISSN 1748-3387. PMC 2934861. PMID 20802494.
  7. ^ Geary, Cody; Rothemund, Paul W. K.; Andersen, Ebbe S. (2014-08-15). "A single-stranded architecture for cotranscriptional folding of RNA nanostructures" (PDF). Science. 345 (6198): 799–804. Bibcode:2014Sci...345..799G. doi:10.1126/science.1253920. ISSN 0036-8075. PMID 25124436. S2CID 5903435.
  8. ^ a b c d Sparvath, Steffen L.; Geary, Cody W.; Andersen, Ebbe S. (2017). 3D DNA Nanostructure. Methods in Molecular Biology. Vol. 1500. Humana Press, New York, NY. pp. 51–80. doi:10.1007/978-1-4939-6454-3_5. ISBN 9781493964529. PMID 27813001.
  9. ^ Rothemund, Paul W. K. (2006-03-16). "Folding DNA to create nanoscale shapes and patterns" (PDF). Nature. 440 (7082): 297–302. Bibcode:2006Natur.440..297R. doi:10.1038/nature04586. ISSN 0028-0836. PMID 16541064. S2CID 4316391.
  10. ^ Alberts, Bruce; Johnson, Alexander; Lewis, Julian; Raff, Martin; Roberts, Keith; Walter, Peter (2002). "The RNA World and the Origins of Life". {{cite journal}}:Cite 저널 요구 사항 journal=(도움말)
  11. ^ "Scientists fold RNA origami from a single strand". ScienceDaily. Retrieved 2017-10-09.