Livet på Jorden formodes at være opstået ved, at et RNA-molekyle begyndte at lave kopier af sig selv. Det er lykkedes RNA-forskere at genskabe en "RNA-kopimaskine" og bestemme dens struktur og funktion ved hjælp af metoden kryoelektronmikroskopi. Forskningen kaster lys over RNAs rolle i selvreplikation og bidrager til en dybere forståelse af livets oprindelse og udvikling. Forskningen åbner samtidig op for anvendelse af avancerede RNA-maskiner inden for medicin og bioteknologi.
Der var engang, før DNA og proteiner kom til verden, hvor RNA var det eneste molekyle, der definerede livet – ved både at opbevare den genetiske information og udføre livets processer via datidens enzymer, kaldet ribozymer. Denne "RNA-verden" menes at have været grundlaget for fremkomsten af mere komplekse livsformer med DNA og proteiner – den verden, vi kender i dag.
Mens de forskere, der jager fossilt DNA, har afdækket fortidsverdener, der er 1-1,5 millioner år gamle, søger RNA-forskere at afdække en RNA-verden, der formodentlig eksisterede for omkring 4 milliarder år siden, for hvilken alle fysiske spor er forsvundet.
"For at afkode hemmelighederne fra denne tidlige æra, har vi genskabt en analog til den oprindelige RNA-kopimaskine i laboratoriet og har nu bestemt dens molekylære anatomi med kryomikroskopi for bedre at forstå, hvordan den fungerer," fortæller en af studiets hovedforfattere, lektor Ebbe Sloth Andersen fra Interdisciplinary Nanoscience Center (iNANO) ved Aarhus Universitet.
Det nye studie blev lavet i samarbejde mellem Philipp Holligers forskningsgruppe på MRC LMB Cambridge i England, der udviklede RNA-kopimaskinen, og Ebbe Andersens forskningsgruppe fra Aarhus Universitet, der bestemte strukturen med avancerede mikroskopiteknikker.
Genskabelsen af den mytiske RNA-kopimaskine
Den RNA-kopierende molekylære maskine har været under udvikling i forskningslaboratorier verden over i løbet af de sidste 30 år. Den blev oprindeligt fundet "som en nål i en høstak" blandt tilfældige sekvenser i selektionseksperimenter.
Den første version kunne kun klistre to RNA-strenge sammen, men gennem senere udvikling blev den forbedret til at fungere som en RNA-polymerase. Philipp Holligers laboratorium ved MRC LMB i Cambridge har gennem en længere årrække udviklet polymerasen til at blive mere og mere effektiv.
"RNA-kopimaskinen, der er udviklet i Holligers laboratorium, kan kopiere lange og strukturelt komplicerede RNA-strenge. Derudover har de vist, at RNA-kopieringsprocessen foregår mest effektivt i en speciel eutektisk isfase, der er en slush-ice-agtig tilstand, hvor RNAet opkoncentreres i vandet mellem isstykkerne," fortæller adjunkt Emil L. Kristoffersen, der arbejdede i Holligers laboratorium.
Ved sin hjemkomst til Aarhus etablerede Emil Kristoffersen samarbejdet med Ebbe Andersens forskerteam ved Aarhus Universitet for at analysere maskinens struktur og funktionelle landskab.
Kryomikroskopi afslører kyssende molekyler
I Aarhus blev RNA-kopimaskinen analyseret med metoden kryoelektronmikroskopi, en teknik, der anvender elektronstråler til at undersøge prøver, der er nedkølet til kryogene temperaturer. Denne teknik har vist sig at være særligt effektiv til at undersøge komplekse og dynamiske RNA-strukturer i detaljer, der var utilgængelige med ældre metoder.
"Strukturen af RNA-kopimaskinen var fuld af overraskelser. Den ligner overordnet en åben hånd og har dermed samme struktur som visse protein-baserede polymeraser. Den består af to domæner, der er forbundne af såkaldte 'kissing-loop'-interaktioner, der forbedrer kopieringen. Desuden har den udviklet et domæne til at læse korrektur," fortæller lektor Ebbe Sloth Andersen.
For at opnå en dybere forståelse af RNA-kopieringsmekanismen lavede forskerne en detaljeret undersøgelse af mutationer for at identificere nøglekomponenter i RNA-strukturen. Denne undersøgelse understregede både vigtigheden af det katalytiske centrum og af en række nye RNA-motiver med forskellige understøttende roller for mekanismen. Mutationer, der ødelagde 'kissing-loop'-interaktionerne, havde en negativ effekt på kopieringen.
"De eksperimentelle data giver os meget værdifuld viden om de elementer, der er vigtige for en effektiv selvkopiering af RNA-molekyler og peger frem mod videre forsøg og optimering af kopimaskinen," uddyber Emil L. Kristoffersen.
Videre udforskning af RNA-verdenen og anvendelsesmuligheder
Strukturen og mutationsanalysen af RNA-kopimaskinen åbner for nye forskningsmuligheder for at studere RNA-verdenen. Den strukturelle indsigt gør det muligt rationelt at udvikle mere effektive replikationsmetoder og dermed at genskabe RNA-verdenen i et laboratoriemiljø. Men der er også hjælp at hente i naturen:
"De simpleste evolutionære systemer, der findes i dag, er de såkaldte viroider, der inficerer planter og hvert år ødelægger afgrøder for millioner. Viroider eksisterer praktisk talt stadig i en RNA-verden, da de udelukkende består af små cirkulære RNA-molekyler og bruger ribozymer som en del af deres replikationsmekanisme. Det er klart, at de bør studeres nærmere," forklarer Emil L. Kristoffersen.
Dette studie af RNA-kopimaskinens struktur fremhæver også, hvordan forskning i livets begyndelse kan medføre opdagelsen af 'RNA-motiver', som potentielt kan anvendes til fremtidig RNA-nanoteknologi og medicin.
"I medicinsk sammenhæng kan RNA-strukturer bruges til præcis levering af medicin, idet de kan skræddersyes til at interagere direkte med udvalgte celler eller proteiner. Derudover kan de anvendes i diagnostiske værktøjer eller som en integreret del af innovative behandlingsmetoder, som for eksempel i genterapi eller personlig medicin," konkluderer Ebbe Sloth Andersen.
