RNAオリガミとは、RNAをナノスケールで折り畳んだもので、RNAが特定の形状を作り、これらの分子を整理することを可能にする。[1]これは、オーフス大学とカリフォルニア工科大学の研究者によって開発された新しい手法である。[2] RNAオリガミは、RNAを特定の形状に折り畳む酵素によって合成される。RNAの折り畳みは、自然条件下で生細胞内で起こる。RNAオリガミはDNA遺伝子として表され、細胞内でRNAポリメラーゼによってRNAに転写される。RNAの折り畳みを支援するコンピュータアルゴリズムは多数存在するが、単一配列のRNAの折り畳みを完全に予測できるものはない。[2]
概要
核酸ナノテクノロジーでは、人工核酸を設計することで、安定した構造を自己組織化できる分子構成要素を形成し、標的薬物送達からプログラム可能な生体材料に至るまで幅広い用途に利用されます。[ 3] DNAナノテクノロジーは、DNAモチーフを用いて標的の形状と配列を構築します。ナノロボティクス、アルゴリズムアレイ、センサー用途など、様々な用途に利用されています。DNAナノテクノロジーの未来は、様々な応用の可能性に満ちています。[4]
DNAナノテクノロジーの成功により、設計者はRNAナノテクノロジーを成長分野として開発することができました。RNAナノテクノロジーは、DNAのシンプルな設計と操作性に加え、タンパク質に類似した構造の柔軟性と機能の多様性を兼ね備えています。[5] RNAの構造と機能の多様性、良好な生体内特性、そしてボトムアップ型の自己組織化は、生体材料やナノ粒子による薬物送達の開発に理想的な手段です。これらのRNAナノ粒子を構築するために、RNA立方体スキャフォールド、 [6]テンプレートおよび非テンプレートアセンブリ、RNAオリガミ など、いくつかの技術が開発されました。
RNAオリガミに関する最初の研究は、オーフス大学のエベ・S・アンダーセンがサイエンス誌に発表した[7] 。オーフス大学の研究者たちは、様々な3Dモデルとコンピュータソフトウェアを用いて、個々のRNAオリガミを設計した。合成DNA遺伝子としてコード化されたRNAにRNAポリメラーゼを加えることで、RNAオリガミが形成される。RNAの観察は主に原子間力顕微鏡を用いて行われた。この技術により、研究者たちは従来の光学顕微鏡よりも1000倍も近い距離で分子を観察することができる。彼らはハニカム形状を形成することに成功したが、他の形状も形成可能であることが判明した。
RNAオリガミの分野の研究者であるコーディ・ギアリー氏は、RNAオリガミの手法の独自性について説明しました。ギアリー氏によると、折り畳みのレシピは分子自体にコード化されており、その配列によって決定されるとのことです。この配列がRNAオリガミの最終的な形状と、折り畳まれる際の構造の動きを決定します。RNAオリガミにおける最大の課題は、RNAが単独で折り畳まれるため、容易に絡まってしまうという点にあります。[2]
コンピュータ支援設計
RNAオリガミ構造のコンピュータ支援設計には、3Dモデルの作成、2D構造の記述、そして配列の設計という3つの主要なプロセスが必要です。まず、既存のデータベースから三次モチーフを用いて3Dモデルを構築します。これは、作成された構造が実現可能な形状と歪みを持つことを確認するために必要です。次のプロセスは、3Dモデルから鎖の経路と塩基対を記述した2D構造を作成することです。この2D設計図は配列制約を導入し、一次モチーフ、二次モチーフ、三次モチーフを作成します。最後のステップは、設計された構造と互換性のある配列を設計することです。設計アルゴリズムを使用することで、様々な構造に折り畳むことができる配列を作成できます。[8]
ダブルクロスオーバー（DX）
RNAオリガミ法では、所望の形状を作り出すために、二重交差（DX）を用いてRNAヘリックスを互いに平行に配置し、構成要素を形成します。DNAオリガミでは複数の鎖からDNA分子を構築する必要がありますが、研究者たちはRNAの場合、1本の鎖からDX分子を作成する方法を考案しました。これは、端にヘアピンモチーフを、内部ヘリックスにキッシングループ複合体を付加することで実現しました。DNA分子を積み重ねることで、ダブテールシームと呼ばれる接合部が形成されます。このダブテールシームには、隣接する接合部間を交差する塩基対が含まれます。そのため、接合部に沿った構造的な接合部は配列特異的になります。これらの折り畳み相互作用の重要な側面は、その折り畳み方にあります。相互作用が形成される順序によっては、ある相互作用が別の相互作用を阻害し、結び目を形成する可能性があります。キッシングループ相互作用とダブテール相互作用は半回転以下であるため、このような位相幾何学的な問題は発生しません。[8]
DNA折り紙との比較
RNAとDNAのナノ構造は、重要な分子プロセスの組織化と調整に利用されています。しかし、両者の基本構造と用途には明確な違いが存在します。ポール・ロセムンド[ 9]によって確立されたDNAオリガミ技術に触発されたものの、RNAオリガミのプロセスは大きく異なります。RNAオリガミはDNAオリガミよりもはるかに新しいプロセスであり、DNAオリガミは約10年前から研究されてきましたが、RNAオリガミの研究はごく最近になって始まったばかりです。
DNAオリガミは、DNA鎖を化学的に合成し、「ステープル鎖」を用いて任意の形状に配列させるものですが、RNAオリガミは酵素によって作られ、その後、あらかじめ用意された形状に折り畳まれます。RNAは、保存モチーフや短い構造要素など、多くの二次構造モチーフのおかげで、複雑な構造において独特な折り畳み方をすることができます。RNAトポロジーの主な決定要因は二次構造相互作用であり、これには擬似ノットやキッシングループ、隣接するヘリックス同士のスタッキング、バルジを含むヘアピンループ、同軸スタックなどのモチーフが含まれます。これは主に、アデニン（A）、シトシン（C）、グアニン（ G） 、ウラシル（U）という4つの異なるヌクレオチドと、非標準的な塩基対を形成する能力によるものです。
RNAには、より複雑で長距離にわたる三次相互作用も存在します。DNAはこれらの三次モチーフを形成できないため、より多様なタスクを実行するRNAの機能的能力に匹敵することはできません。正しく折り畳まれたRNA分子は、活性部位に金属イオンを配置することで酵素として機能することができ、これにより分子は多様な触媒能力を発揮します。[10]酵素とのこの関係性により、RNA構造は生細胞内で増殖させ、細胞内酵素を明確なグループに組織化するために使用できる可能性があります。
さらに、DNAオリガミの分子分解は生物の遺伝物質に容易に組み込むことができません。一方、RNAオリガミはDNA遺伝子として直接書き込まれ、RNAポリメラーゼを用いて転写されます。そのため、DNAオリガミは細胞外での高価な培養を必要とするのに対し、RNAオリガミはバクテリアを培養するだけで細胞内で直接、大量かつ安価に生産することができます。[11]生細胞内でRNAを製造することの実現可能性と費用対効果、そしてRNA構造の持つ機能性を組み合わせることで、RNAオリガミの開発は有望視されています。
アプリケーション
RNAオリガミは新しい概念であり、ナノメディシンや合成生物学への応用に大きな可能性を秘めています。この手法は、RNAベースの機能性を組み合わせるための明確な足場となる、大型RNAナノ構造の新規作製を可能にするために開発されました。RNAオリガミはまだ初期段階であるため、その潜在的な応用の多くはまだ発見の過程にあります。その構造は、RNA構成要素の機能を可能にする安定した基盤を提供することができます。これらの構造には、リボスイッチ、リボザイム、相互作用部位、アプタマーなどが含まれます。アプタマー構造は小分子の結合を可能にし、将来のRNAベースのナノデバイスの構築の可能性をもたらします。RNAオリガミは、細胞認識や診断のための結合などの分野でも有用です。さらに、標的送達や血液脳関門通過についても研究されています。[6] RNAオリガミの将来の最も重要な応用は、おそらく他の微小なタンパク質を配置し、それらが互いに作用できるようにするための足場を構築することでしょう。[8]
人工細胞骨格と合成細胞
RNAオリガミ技術を用いて、研究者らは生細胞の重要な要素である細胞骨格を模倣したナノチューブ構造を作製した。これらの人工細胞骨格構造は、人工細胞開発の鍵となる構造安定性と組織化を提供する。この技術はタンパク質合成を不要にするため、合成細胞体の組み立てを効率化する。これらの構造を設計・操作する能力は、医療や産業用途の人工細胞の作成など、合成生物学における新たな課題を提起する。[12] [13] [14]
参考文献
- ^ 「折り畳みプログラム：RNAオリガミ | Caltech」カリフォルニア工科大学。 2017年10月9日閲覧。
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- ^ 「科学者がRNAから細胞骨格のような構造を作成」。
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