RNA in azione: filmare l'autoassemblaggio di un ribozima
I ricercatori hanno visualizzato, con un dettaglio senza precedenti, come una grande molecola di RNA si assembla in una macchina funzionale
Annunci
L'RNA è una molecola biologica centrale, oggi ampiamente sfruttata in medicina e nelle nanotecnologie. Come le proteine, l'RNA spesso trae la sua funzione dalla sua struttura tridimensionale. Un recente studio pubblicato su Nature Communications ha catturato, per la prima volta, un ribozima in movimento, quasi fotogramma per fotogramma. I ricercatori hanno registrato il modo in cui questa minuscola macchina a RNA si piega, si flette e si assembla, rivelando la sua intricata coreografia con un dettaglio senza precedenti.
Utilizzando tecniche all'avanguardia - crio-microscopia elettronica (cryo-EM), scattering di raggi X a piccolo angolo (SAXS), biochimica ed enzimologia dell'RNA, elaborazione delle immagini e simulazioni molecolari - gli scienziati hanno osservato l'assemblaggio di un ribozima auto-splicante - una molecola di RNA che può "tagliare e incollare" la propria sequenza, modificando essenzialmente se stessa per diventare operativa. Hanno catturato il processo dinamico "dietro le quinte" con cui il ribozima autosplicante si ripiega nella sua struttura funzionale. La ricerca è stata guidata dal team di Marco Marcia, ex capo gruppo dell'EMBL e attualmente professore associato e capo gruppo di SciLifeLab all'Università di Uppsala, in Svezia.
Questa scoperta è stata possibile grazie alle strutture all'avanguardia e ai servizi di esperti dell'EMBL di Grenoble, che hanno permesso di integrare metodi avanzati di biologia strutturale con la biochimica e l'enzimologia dell'RNA. Il gruppo di Marcia ha inoltre beneficiato di una stretta collaborazione con il Centre for Structural Systems Biology (CSSB) di Amburgo, dove sono stati sviluppati approcci innovativi di elaborazione delle immagini crio-EM su misura per questo progetto specifico, e con l'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), che ha fornito competenze di alto livello in materia di simulazione molecolare.
"La determinazione delle strutture dell'RNA è un compito impegnativo: la flessibilità intrinseca e la carica negativa rendono l'RNA un bersaglio notoriamente difficile per gli studi strutturali", ha dichiarato Shekhar Jadhav, ex borsista presso l'EMBL di Grenoble, ora postdoc presso l'Università di Uppsala, in Svezia. "Gli sforzi costanti e lo screening approfondito al microscopio elettronico ci hanno infine portato a visualizzare le dinamiche elusive dell'RNA".
L'immagine rappresenta le mappe di densità crio-EM per i due stati conformazionali estremi che l'introne di gruppo II acquisisce durante il ripiegamento, attraverso un continuo movimento dinamico dei suoi motivi elicoidali strutturati.
Shekhar Jadhav/EMBL
Come un dominio orchestra la trama dell'RNA
Al centro di questa produzione c'è il dominio 1 (D1), l'impalcatura centrale del ribozima e, a quanto pare, il suo regista. Questo dominio agisce come un cancello molecolare, dando il via agli altri domini (D2, D3, D4) per entrare esattamente al momento giusto durante il processo di ripiegamento.
Sottili movimenti in parti chiave della molecola D1 spingono una delle sue sezioni ad aprirsi e a far posto alla successiva. Ogni dominio entra in scena solo quando il precedente è correttamente posizionato, creando una sequenza di coreografie molecolari senza soluzione di continuità che previene gli errori strutturali e assicura un finale impeccabile: la formazione di una struttura in grado di catalizzare una reazione chimica, essenziale per la funzione del ribozima.
Catturare le riprese nascoste
Analizzando centinaia di migliaia di singole particelle di RNA, il team ha ricostruito le "riprese" intermedie che erano invisibili nelle strutture cristalline statiche. Questi fotogrammi fugaci mostrano come l'RNA esplori pose alternative prima di stabilizzarsi nella sua conformazione finale.
Rappresentazione dinamica delle mappe di densità per i due stati conformazionali estremi che l'introne di gruppo II acquisisce durante il ripiegamento, attraverso un continuo movimento dinamico dei suoi motivi elicoidali strutturati. Shekhar Jadhav/EMBL
"Per catturare questi fotogrammi fugaci, abbiamo dovuto sviluppare nuove strategie di elaborazione delle immagini crio-EM", ha dichiarato Maya Topf, capogruppo del CSSB, docente presso il Centro medico universitario di Amburgo-Eppendorf e collaboratrice dello studio. "Questo è un ottimo esempio di come l'innovazione computazionale e i dati cryoEM di alta qualità possano rivelare le conformazioni nascoste delle macchine molecolari".
I dati SAXS e le simulazioni di dinamica molecolare hanno aiutato gli scienziati a perfezionare ogni fotogramma e ad assemblare la trama.
"Uno dei principali punti di forza di questo lavoro è la sinergia tra questi nuovi dati strutturali all'avanguardia sull'RNA e le nostre simulazioni molecolari avanzate di questo difficile sistema", ha dichiarato Marco De Vivo, responsabile del Laboratorio di Modellistica Molecolare e Scoperta di Farmaci e Direttore Associato per il Calcolo dell'Istituto Italiano di Tecnologia di Genova, nonché uno dei collaboratori di questo studio. "Questo approccio combinato ha chiarito, a un livello di dettaglio atomistico senza precedenti, la dinamica che guida l'intero assemblaggio di questa molecola di RNA, che ora apre nuove strade per la scoperta di farmaci mirati all'RNA".
Dalle antiche scritture ai moderni spin-off
Gli introni del gruppo II, i ribozimi protagonisti di questo film molecolare, sono ritenuti gli antenati dello spliceosoma, il complesso macchinario che modifica l'RNA nelle cellule umane. Rivelando come queste molecole si ripieghino in modo efficiente ed evitino le trappole cinetiche, lo studio fornisce nuove informazioni su come la vita primitiva basata sull'RNA possa aver evoluto i suoi strumenti di editing. Al di là della tradizione evolutiva, questo lavoro getta le basi per la progettazione e l'ingegneria dell'RNA, guidando il modo in cui le future biotecnologie potrebbero scrivere le molecole di RNA in modo che si ripieghino correttamente per essere utilizzate in campo terapeutico o nelle nanobiotecnologie.
Aprire la porta all'intelligenza artificiale dell'RNA
I set di dati dettagliati e i meccanismi molecolari scoperti in questo studio offrono un prezioso punto di riferimento per l'addestramento e il test dei modelli di intelligenza artificiale. Alcune delle strutture di RNA qui risolte sono già state utilizzate nelle competizioni internazionali CASP - la stessa sfida predittiva che ha dato origine ad AlphaFold - come recentemente descritto nella rivista Proteins .
"Questo lavoro dovrebbe svolgere un ruolo chiave nel definire gli approcci dell'intelligenza artificiale alla previsione della struttura dell'RNA, aprendo la strada a un nuovo 'AlphaFold per l'RNA'", ha dichiarato Marcia.
Questa convergenza tra precisione sperimentale e apprendimento automatico segna una nuova fase per la biologia strutturale dell'RNA, in cui l'intelligenza artificiale e la crio-EM possono imparare l'una dall'altra per prevedere, visualizzare e comprendere le dinamiche della molecola più versatile della vita.
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Altre notizie dal dipartimento scienza
