Новый метод, расширяющий возможности спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), позволит исследователям понять форму и структуру молекул РНК и узнать, как они взаимодействуют с другими молекулами. Понимание, обеспечиваемое этой технологией, может привести к целевому терапевтическому лечению заболеваний с помощью РНК. Статья об этой работе была опубликована в журнале Science Advances 7 октября 2020 г.
"Область ядерной магнитно-резонансной спектроскопии застряла в поисках мелких вещей, скажем, 35 строительных блоков РНК или нуклеотидов. Но большинство интересных вещей, имеющих биологическое и медицинское значение, намного больше, 100 нуклеотидов или более, – сказал Кваку Дайе, профессор химии и биохимии в UMD и старший автор статьи. "Поэтому очень интересно иметь возможность разбирать бревна и смотреть на большие вещи.
Это позволит нам заглянуть в эти молекулы и увидеть, что происходит, так, как мы не могли делать раньше."
В спектроскопии ЯМР ученые направляют радиоволны на молекулу, возбуждая атомы и «зажигая» молекулу. Измеряя изменения магнитного поля вокруг возбужденных атомов – ядерный магнитный резонанс – ученые могут восстановить такие характеристики, как форма, структура и движение молекулы.
Полученные данные затем могут быть использованы для создания изображений, похожих на изображения МРТ, используемые в медицине.
Обычно сигналы ЯМР от многих атомов в биологической молекуле, такой как РНК, перекрываются друг с другом, что очень затрудняет анализ.
Однако в 1970-х годах ученые научились биохимически конструировать молекулы РНК, чтобы они лучше работали с ЯМР, заменяя атомы водорода магнитно-активными атомами фтора. В относительно небольших молекулах РНК, состоящих из 35 или менее нуклеотидов, атомы фтора легко загораются при попадании радиоволн и остаются возбужденными достаточно долго для анализа с высоким разрешением.
Но по мере того, как молекулы РНК становятся больше, атомы фтора загораются ненадолго, а затем быстро теряют сигнал. Это предотвратило трехмерный анализ более крупных молекул РНК с высоким разрешением.
Предыдущая работа других авторов показала, что фтор продолжает давать сильный сигнал, когда он находится рядом с атомом углерода, содержащим шесть протонов и семь нейтронов (C-13).
Итак, Дэйи и его команда разработали относительно простой метод замены встречающегося в природе C-12 в РНК (которая имеет 6 протонов и 6 нейтронов) на C-13 и установку атома фтора (F-19) непосредственно рядом с ним.
Дэйи и его команда впервые продемонстрировали, что их метод может производить данные и изображения, аналогичные существующим методам, применяя его к фрагментам РНК ВИЧ, содержащим 30 нуклеотидов, которые были ранее отображены. Затем они применили свой метод к фрагментам РНК гепатита B, содержащим 61 нуклеотид, что почти вдвое превышает размер предыдущей ЯМР-спектроскопии, возможной для РНК.
Их метод позволил исследователям идентифицировать участки на РНК гепатита В, где небольшие молекулы связываются и взаимодействуют с РНК. Это может быть полезно для понимания эффекта потенциальных терапевтических препаратов. Следующим шагом исследователей будет анализ еще более крупных молекул РНК.
«Эта работа позволяет нам расширить то, что можно сфокусировать», – сказал Дейи. «Наши расчеты говорят нам, что теоретически мы можем смотреть на действительно большие объекты, такие как часть рибосомы, которая является молекулярной машиной, которая синтезирует белки внутри клеток."
Понимая форму и структуру молекулы, ученые могут лучше понять ее функцию и то, как она взаимодействует с окружающей средой.
Более того, эта технология позволит ученым увидеть трехмерную структуру по мере ее изменения, поскольку молекулы РНК, в частности, часто меняют форму. Эти знания являются ключом к разработке терапевтических средств, которые нацелены на специфические для заболевания молекулы, не влияя на функции здоровых клеток.
«Есть надежда, что если исследователи будут знать укромные уголки дисфункциональной молекулы, то они смогут разработать лекарства, заполняющие эти укромные уголки и трещины, чтобы вывести ее из строя», – сказал Дейи. «И если мы сможем проследить за этими молекулами, когда они изменяют форму и структуру, то их реакция на потенциальные лекарства будет немного более предсказуемой, и разработка эффективных лекарств может быть более эффективной."