מערכת מהירה ומדויקת לפתרון מהיר של מבני RNA עיקשים מחלל הבריכה, נגיף SARS-CoV-2 ועוד

Share on facebook
Share on twitter
Share on linkedin
Share on telegram
Share on whatsapp
Share on email
פרסומת
MAGNEZIX מגנזיקס


החומר הגנטי החד-גדילי RNA ידוע בעיקר בזכות הנחיית הרכבת החלבונים בתאים שלנו ונשיאת הקוד הגנטי לנגיפים כמו SARS-CoV-2 ו- HIV. אבל לפני 40 שנה, מדענים גילו כישרון מוסתר אחר: הוא יכול לזרז תגובות כימיות בתא, כולל חיתוך והצטרפות של קווצות RNA. זה נתן מומנטום חדש לרעיון ש- RNA הוא הכוח המניע מאחורי האבולוציה של מולקולות גדולות שהובילו בסופו של דבר לחיים.

למרות שמדענים למדו הרבה מאז, הם לא הצליחו לקבל תמונות תלת מימד של מולקולות RNA עירומות ברזולוציה גבוהה מספיק כדי לראות את כל הכיסים והקפלים ומבנים אחרים שהם המפתח להבנת אופן פעולתם. המולקולות הן כמו ילדים מתוסכלים עם זרועות תקופתיות שלא יחזיקו בשקט לצילום אלא אם כן הם חלק ממכלול מולקולרי גדול יותר שמצמיד אותם למקום.

מערכת חדשה שפותחה באוניברסיטת סטנפורד ובמעבדת המאיץ הלאומית SLAC של המחלקה לאנרגיה פותרת את הבעיה. הוא משלב תוכנת מחשב ומיקרוסקופ אלקטרונים קריוגניים, או קריו-אמ, כדי לקבוע את המבנים התלת-ממדיים של מולקולות RNA בלבד במהירות, דיוק ורזולוציה חסרי תקדים.

בשני מחקרים חדשים, צוות המחקר בראשות פרופסור SLAC/סטנפורד ווה צ'יו ופרופסור סטנפורד רייהו דס דוחף את רזולוציית הטכניקה עד 3.1 אנגסטרם – רק ביישן מהנקודה שבה אטומים בודדים הופכים לגלויים – ומיישמים אותה לשני מבני RNA המעניינים מאוד את המדענים.

המחקר הראשון, שפורסם ב טֶבַע כיום, חושף את המבנה הראשון, כמעט אטומי באורך מלא של RNA קטליטי, או ריבוזים, מיצור חד תאי הנקרא טטרהימנה שחי בזבל הבריכה. זה היה הריבוזים הראשון שנמצא אי פעם ושימש מעין עכברוש מעבדה לחקר ריבוזימים מאז.

השני, שפורסם כהדפסה מוקדמת, חושף כיסים זעירים במעט RNA מ- SARS-CoV-2 הנקרא אלמנט גירוי מסגרת העברת המסגרת, או FSE. הוא מרמה בעדינות את התאים הנגועים ליצירת קבוצות חלופיות של חלבונים ויראליים, וממלא תפקיד כה חשוב ביכולתו של הנגיף לשכפל שהוא נשאר זהה גם כאשר חלקים אחרים של הנגיף משתנים כדי ליצור גרסאות חדשות. זה הופך אותו ליעד פוטנציאלי טוב לתרופות לטיפול ב- COVID-19, גרסאותיו ואולי אפילו וירוסים אחרים, ומספר קבוצות מחקר בחנו אפשרות זו.

מחקר ה- FSE בוצע בשנת 2020, בתקופה בה SLAC וסטנפורד נסגרו עקב המגיפה ורק עבודה חיונית הקשורה לתגובת הקורונה הותרה.

בהנחיית תובנות ממבנה התלת -ממד שלהם ב- FSE, הצוות של Das ומשתפי הפעולה במעבדתו של פרופסור ג'ף גלן בסטנפורד מהנדסים מולקולות DNA המתחברות לאזור אסטרטגי של ה- FSE ומשבשות את המבנה שלה.

בעוד שחוקרים רחוקים מאוד מהדגים שמולקולה כזו עלולה לסכל זיהום ויראלי בבני אדם, המחקר אכן מזהה דרך אפשרית לפיתוח טיפול בסופו של דבר, אמרו המדענים.

"אנחנו לא יודעים מה יהיה וירוס המגיפה הבא", אמר דאס, "אבל אנחנו די בטוחים שמדובר בנגיף RNA חד-גדילי המועבר מבעלי חיים לבני אדם, וכנראה שיהיה לו כמה פיסות RNA המתנגדות למוטציה. עם מערכת מואצת זו שפיתחנו, נראה כי כעת ניתן ללמוד וירוסים הנמצאים בבני אדם או בבעלי חיים, לחפש את אותם חלקים שנשמרו, לקבוע במהירות את מבני ה- RNA התלת -ממדיים שלהם ולפתח נגדם אנטי -ויראליים ".

מרדף נלהב אחר RNA

שני המדענים החלו לשתף פעולה בשנת 2017 לאחר שדאס שמע את צ'יו נואם על שימוש ב- cryo-EM לפתרון מבנה מולקולות ה- RNA.

"זה הציף אותי," נזכר דאס. "התאהבתי ב- RNA בשנת 2001. חשבתי שזו המולקולה החשובה ביותר בחיים. מולקולת ה- RNA הראשונה בה הסתכלתי הייתה זו טטרהימנה ריבוזים. הרבה מאוד אנשים עבדו על זה – זה היה קצת מולקולת פולחן – ובזבזתי חמש שנים מעבודת הדוקטורט שלי בניסיון להבין איך זה מתקפל. אז לאחר ששמעתי את נאומו של וואה הצעתי שנעבוד יחד כדי לקבוע את מבנהו ".

למיטב ידיעת המדענים, לריבוזים אין תפקיד ביולוגי טטרהימנה, אמר דאס: "זו מולקולה חסרת תועלת במה שחלק מהאנשים יחשבו כאורגניזם חסר משמעות". אבל לפני 40 שנה, כשגילה תומאס צ'ך שפיסת ה- RNA הזעירה הזו יכולה לחתוך את עצמה מ- טטרהימנה גדיל RNA, הדבק את שני הקצוות הרופפים יחד וצף משם, "זה היה הדבר הקסום הזה שאף אחד לא ציפה שמיתר RNA יעשה לבד", אמר דאס. "הם הבינו מיד שחתיכת ה- RNA הזו חייבת להיות מכונה קטנה מרובת שלבים – זרז". צ'ך חילק את פרס נובל לכימיה לשנת 1989 על התגלית.

צ'יו התחיל ברומן אהבה דומה עם cryo-EM כסטודנט לתואר שני באוניברסיטת קליפורניה בברקלי בשנות השבעים. כעת, כמנהל שותף מייסד של מתקני Cryo-EM מסטנפורד-SLAC, שם נעשתה ההדמיה למחקרים אלה, הקדיש את הקריירה שלו לחידוד הטכניקה ולשימוש בה לבדיקת התאים והמכונות המולקולריות שבתוכם בצורה עדינה וטובה יותר. פירוט – לא רק כדי לראות דברים קטנים יותר אלא להבין כיצד הם מתפקדים ומתנהלים זה עם זה.

"זה היה חלום שלי להשתמש ב- cryo-EM לחקר RNA על כל צורותיו", אמר צ'יו. "אני מחשיב את קבלת מבני ה- RNA האלה לאחד ההישגים המובילים שלי. אם נוכל לעשות זאת עם מולקולה אחת, בתיאוריה נוכל לעשות זאת עם רבים אחרים".

פיתוח צינור RNA

עבודותיהם של Das ו- Chiu נבנות על ריבוסולב, צינור שהקבוצות שלהם פיתחו בשנתיים שקדמו למגיפה, שמאפשר להן לפתור במהירות את מבני ה- RNA בזו אחר זו, באמינות רבה יותר ובפירוט רב יותר מבעבר. הוא משלב כלים חישוביים שפותחו על ידי סטודנטית דוקטורט סטנפורד קלי קאפל עם כלי מיפוי כימיים ממעבדת Das והתקדמות הדמיה קריו-אמ של חוקרים פוסט-דוקטורט קיימינג ג'אנג וז'אומינג סו.

בתוך נייר ב שיטות טבע בשנה שעברה, הצוות דיווח על שימוש בגישה החדשה כדי לקבוע את המבנים התלת -ממדיים של טטרהימנה ריבוזים ועוד 10 מולקולות RNA עם רזולוציה טובה יותר מ -10 אנגסטרום.

"כל אחד מ -11 המבנים החדשים הללו התברר כמספק תובנות ביולוגיות או ביוכימיות", כתבה ג'יין ס 'ריצ'רדסון, פרופסור לביוכימיה באוניברסיטת דיוק, בפרשנות שליוותה את הדו"ח. היא כינתה את הגישה "שיטה חדשה ופורצת דרך" המייצרת מבנים מהירים ואמינים של מולקולות RNA בלבד שלא נחשבו אפשריות קודם לכן, והוסיפה כי הגדלת הרזולוציה ל- 2-4 אנגסטרומים תהיה הדגמה רצויה של התועלת שלה הן ל- RNA וחלבונים.

בחדש שלהם טֶבַע בנייר, הצוות מדווח כי השיג כעת את הרזולוציה הגבוהה יותר עבור טטרהימנה ribozyme ומקווה לדחוף לקראתו ל- FSE, במטרה סופית לייצר מבנים ברזולוציה אטומית עבור אלה ואולי אלפי RNA אחרים.

"אני חושב שלצינור Ribosolve יש פוטנציאל לשנות את ההבנה שלנו לגבי המולקולות האלה, ואולי גם את היכולת שלנו לפתח תרופות", אמר דאס. "זה לא יכול היה לקרות בשום מקום אחר. גישה למכשירי קריו-אמ ברמה עולמית הייתה המפתח, יחד עם פגישה עם מישהו כמו וואה שחלק את האינטואיציה שלנו שזה יכול להיות חשוב".

לעבוד על טטרהימנה ריבוזים נתמך על ידי המכונים הלאומיים לבריאות.

חוקרים מאוניברסיטת צפון קרוליינה ומאוניברסיטת הרווארד תרמו גם הם לעבודת ה- SARS-CoV-2 FSE. הוא נתמך על ידי המכונים הלאומיים לבריאות ומשרד DOE למדע באמצעות המעבדה הלאומית לביוטכנולוגיה וירטואלית, קונסורציום של מעבדות לאומיות DOE המתמקדות בתגובה ל- COVID-19, במימון שניתן מחוק CARES Coronavirus.

.



קישור לכתבת המקור – 2021-08-12 16:27:34

Share on facebook
Facebook
Share on twitter
Twitter
Share on linkedin
LinkedIn
Share on telegram
Telegram
Share on whatsapp
WhatsApp
Share on email
Email
פרסומת
X-ray_Promo1

עוד מתחומי האתר