RNA origami: citoscheletri artificiali per la costruzione di cellule sintetiche
I ricercatori creano nanotubi ripiegati a partire dalla biomolecola naturale RNA
Con l'obiettivo a lungo termine di creare cellule viventi da elementi non viventi, la biologia sintetica sta lavorando con gli origami di RNA. Questo strumento utilizza la multifunzionalità della biomolecola naturale RNA per piegarla in nuovi blocchi di costruzione, rendendo superflua la sintesi proteica. Un gruppo di ricerca guidato dalla Prof.ssa Kerstin Göpfrich del Centro di Biologia Molecolare dell'Università di Heidelberg ha superato un importante ostacolo sulla strada delle cellule artificiali: Utilizzando questa nuova tecnica di origami di RNA, sono riusciti a produrre nanotubi che si ripiegano in strutture simili al citoscheletro. Il citoscheletro è un elemento strutturale essenziale delle cellule che conferisce loro stabilità, forma e mobilità. Il lavoro di ricerca costituisce la potenziale base per macchinari RNA più complessi.
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Una sfida importante nella costruzione di cellule sintetiche è la produzione di proteine, che sono responsabili di quasi tutti i processi biologici dell'organismo e quindi rendono possibile la vita in primo luogo. Per le cellule naturali, il cosiddetto dogma centrale della biologia molecolare descrive come la sintesi proteica avvenga attraverso la trascrizione e la traduzione dell'informazione genetica nella cellula. In questo processo, il DNA viene trascritto in RNA e quindi tradotto in proteine funzionali, che devono ripiegarsi per mantenere la loro corretta struttura e quindi funzionalità. "Solo più di 150 geni sono coinvolti in questo complesso processo", spiega la professoressa Göpfrich, che conduce ricerche con il suo gruppo di ricerca sull'ingegneria biofisica della vita presso il Centro di biologia molecolare dell'Università di Heidelberg (ZMBH).
Il lavoro della professoressa Göpfrich affronta la questione di come sia possibile creare cellule sintetiche senza la sintesi proteica, essenziale per le cellule viventi: La professoressa utilizza la tecnica dell'origami di RNA, che si basa sull'idea che le informazioni genetiche - ad esempio il progetto per l'impalcatura della cellula - siano implementate esclusivamente con l'aiuto dell'RNA auto-ripiegato. Una sequenza di DNA viene prima progettata con un processo assistito dal computer. Essa codifica la forma che l'RNA dovrebbe assumere dopo il ripiegamento. Per approssimare la struttura desiderata, è necessario selezionare i motivi di RNA adatti e tradurli in un modello genetico, che viene poi sintetizzato come gene artificiale. L'RNA polimerasi è coinvolta nella conversione del modello genetico che contiene. L'enzima legge le informazioni contenute nel modello e forma il componente di RNA corrispondente. Gli algoritmi sviluppati in precedenza assicurano che la piegatura pianificata avvenga correttamente.
Con l'aiuto dell'origami di RNA, la biologa molecolare di Heidelberg e il suo team sono riusciti a produrre un componente essenziale per le cellule sintetiche: un citoscheletro artificiale. I nanotubi di RNA, lunghi pochi micrometri, formano una rete che assomiglia a un'impalcatura cellulare naturale. Secondo il Prof. Göpfrich, si tratta di un ulteriore passo avanti sulla strada delle cellule sintetiche. I ricercatori hanno testato gli origami di RNA in una vescicola lipidica, un semplice sistema cellulare modello ampiamente utilizzato in biologia. Utilizzando i cosiddetti aptameri di RNA, il citoscheletro artificiale è stato ancorato alle membrane cellulari. Inducendo mutazioni specifiche nel modello genetico - la sequenza del DNA - è stato possibile influenzare le proprietà degli scheletri di RNA.
"A differenza dell'origami del DNA, il vantaggio dell'origami dell'RNA è che le cellule sintetiche possono produrre i propri blocchi di costruzione", sottolinea Kerstin Göpfrich. Secondo la ricercatrice, questo potrebbe aprire nuove prospettive per l'evoluzione diretta di tali cellule. L'obiettivo a lungo termine del lavoro di ricerca è creare un macchinario molecolare completo per le cellule sintetiche basate sull'RNA.
L'attuale lavoro di ricerca faceva parte di una sovvenzione di avviamento ERC assegnata alla professoressa Göpfrich dal Consiglio europeo della ricerca. Sono stati inoltre finanziati nell'ambito del programma Human Frontier Science e dal Ministero federale dell'Istruzione e della Ricerca, dal Ministero della Scienza del Baden-Württemberg nell'ambito della Strategia di Eccellenza dei governi federale e statale e dal Premio Alfried Krupp. I risultati della ricerca sono stati pubblicati sulla rivista scientifica "Nature Nanotechnology".
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