Предсказание пространственной структуры для произвольной молекулы РНК – нетривиальная задача, которая не имеет общего решения. К счастью, природа создала множество частных случаев молекул РНК, обладающих удивительными свойствами. Молекулярные биологи изучают эти свойства, а задача нанотехнологов – воспользоваться ими во благо человечества. Именно так и поступила группа учёных из Соединенных Штатов Америки.

Рис. 1. Схематическое представление
вторичной структуры и трёхмерная
модель взаимодействия шпилек RNAI и
 RNAII.

У кишечной палочки Escherichia coli есть изящная система контроля репликации, основанная на взамодействии двух молекул РНК – RNAI и RNAII. В каждой из этих РНК имеется структурный элемент «шпилька», состоящий из двуцепочечного стебля и одноцепочной петли на вершине стебля. Последовательность нуклеотидов петли RNAI комплементарна последовательности петли RNAII, благодаря чему две молекулы РНК могут взаимодействовать, формируя из двух одноцепочечных участков один двуцепочечный – структуру «kissing loops» (рисунок 1). При этом молекулы располагаются таким образом, что угол между стеблями двух шпилек составляет 120^°.

Рис. 2. Строительные элементы-рёбра и многоугольники, которые могут быть получены из них.

Учёные сообразили, что при помощи таких петель и kissing-взаимодействий можно сконструировать малюсенькие шестиугольники. Идею можно реализовать двумя способами: используя «рёбра» с двумя разными петлями на концах (одна петля из RNAI, другая из RNAII) или два набора ребёр с одинаковыми петлями на концах (рисунок 2, варианты SM и AB, соответственно).

Рис. 3. Изображение АСМ полученных РНК-наночастиц.

На рисунке 3 можно увидеть изображения АСМ получившихся наночастиц: действительно, образовались многоугольные фигуры, в основном шестиугольники, но также и четырёх-, пяти-, семи-, восьмиугольники (для варианта AB – как и ожидалось, только фигуры с чётным числом сторон, для SM – в том числе с нечётным).

Учёные решили пойти дальше и сконструировать «полностью запрограммированный» набор ребёр, из которых бы гарантированно получались шестиугольники, а не произвольный набор многогранников. Для этого нужно, чтобы в каждой вершине реализовывалось уникальная kissing-структура, подобная RNAI/RNAII (рисунок 4). Но столько структур не существует в природе… Не беда! Учёные сделали в имеющемся RNAI/RNAII мотиве несколько нуклеотидных замен, и на уже отработанной системе посмотрели, как эти замены влияют на способность «ребёр» формировать многоугольники. Некоторые замены, к сожалению, оказались неудачными; из оставшихся, тем не менее, удалось выбрать шесть некомплементарных друг другу наборов.

Рис. 4. Схема «полностью
запрограммированного» шестиугольника.

Теперь учёные умеют собирать наноугольники с длиной ребра всего лишь 6.5 нм – причем, хотите шести-, хотите пятиугольники, а если желаете – то и квадраты. Как показал дальнейший анализ, шестиугольники являются наиболее выгодной формой, а если при этом еще и «сшить» 3'-конец с 5'-концом, то сразу возрастает устойчивость наноструктуры к действию нуклеаз, которые присутствуют в плазме крови.

Рис. 5. Наночастицы, начинённые короткой
интерферирующей РНК (siRNA, показана
красным): два варианта размещения siRNA в
частице.

Зачем же могут понадобиться такие наночастицы? Помимо того, что они красивы, они могут применяться в терапевтических целях – для доставки коротких интерферирующих РНК (siRNA) внутрь клеток. Эти siRNA могут как входить в состав «рёбер», так и образовывать отдельный стебель, перпендикулярный «ребру» (рисунок 5). Учёные опробовали и тот, и другой вариант, и показали, что в обоих случаях структура взаимодействует с белком Dicer in vitro. Dicer – это специальный внутриклеточный белок, который вырезает siRNA из двуцепоченой РНК. Значит, можно ожидать, что после попадания шестиугольничков в клетку природный фермент Dicer вырежет из РНК siRNA-фрагмент и запустит природный механизм подавления активности тех генов, к которым подходит данная siRNA.

Более полное удовольствие от этой работы можно получить, ознакомившись с текстом статьи «Self-Assembling RNA Nanorings Based on RNAI/II Inverse Kissing Complexes», опубликованной в журнале Nano Letters:

Wade W. Grabow†, Paul Zakrevsky†, Kirill A. Afonin†, Arkadiusz Chworos†, Bruce A. Shapiro‡, and Luc Jaeger Self-Assembling RNA Nanorings Based on RNAI/II Inverse Kissing Complexes. – Nano Lett., Article ASAP, DOI: 10.1021/nl104271s; Publication Date (Web): January 13, 2011.