Des chercheurs de l’Université d’Aarhus et du laboratoire de Berkeley ont conçu des molécules d’ARN, qui se replient en rectangles, cylindres et satellites à l’échelle nanométrique, et ont étudié leur structure et leur dynamique 3D avec des méthodes nanotechnologiques avancées. Dans un article de la revue Nature Nanotechnology, les chercheurs décrivent leurs travaux et comment ils ont conduit à la découverte de règles et de mécanismes de repliement de l’ARN qui permettront de construire des particules d’ARN plus idéales et fonctionnelles à utiliser dans la médecine basée sur l’ARN.
La molécule d’ARN est communément reconnue comme messager entre l’ADN et la protéine, mais elle peut également être pliée en machines moléculaires complexes. Un exemple de machine à ARN naturelle est le ribosome, qui fonctionne comme une usine à protéines dans toutes les cellules. Inspirés des machines à ARN naturel, les chercheurs du Centre interdisciplinaire de nanosciences (iNANO) ont mis au point une méthode appelée « ARN origami », qui permet de concevoir des nanostructures artificielles d’ARN qui se replient à partir d’un seul support d’ARN. La méthode est inspirée de l’art japonais du pliage de papier, l’origami, où un seul morceau de papier peut être plié dans une forme donnée, comme un oiseau en papier.
Sommaire
Les plis gelés offrent un nouvel aperçu
Le document de recherche en Nanotechnologie de la nature décrit comment la technique de l’origami d’ARN a été utilisée pour concevoir des nanostructures d’ARN, qui ont été caractérisées par cryo-microscopie électronique (cryo-EM) à l’installation nationale danoise de cryo-EM EMBION. Cryo-EM est une méthode de détermination de la structure 3D des biomolécules, qui fonctionne en congelant l’échantillon si rapidement que l’eau n’a pas le temps de former des cristaux de glace, ce qui signifie que les biomolécules congelées peuvent être observées plus clairement au microscope électronique. Les images de plusieurs milliers de molécules peuvent être converties sur l’ordinateur en une carte 3D, qui est utilisée pour construire un modèle atomique de la molécule. Les investigations cryo-EM ont fourni des informations précieuses sur la structure détaillée des origamis d’ARN, ce qui a permis d’optimiser le processus de conception et a abouti à des formes plus idéales.
Grâce aux commentaires précis de cryo-EM, nous avons maintenant la possibilité d’affiner nos conceptions moléculaires et de construire des nanostructures de plus en plus complexes. »
Ebbe Sloth Andersen, professeur associé à iNANO, Université d’Aarhus
Découverte d’un piège à repliement lent
Les images Cryo-EM d’un échantillon de cylindre d’ARN se sont avérées contenir deux formes très différentes, et en gelant l’échantillon à des moments différents, il était évident qu’une transition entre les deux formes se produisait. En utilisant la technique de diffusion des rayons X aux petits angles (SAXS), où les échantillons ne sont pas congelés, les chercheurs ont pu observer cette transition en temps réel et ont découvert que la transition de repliement s’est produite après env. 10 heures. Les chercheurs avaient découvert un soi-disant « piège pliant » où l’ARN est piégé pendant la transcription et n’est libéré que plus tard (voir vidéo).
« Ce fut une surprise de découvrir une molécule d’ARN qui se replie aussi lentement, car le repliement a généralement lieu en moins d’une seconde », a déclaré Jan Skov Pedersen, professeur au département de chimie et iNANO de l’université d’Aarhus.
« Nous espérons pouvoir exploiter des mécanismes similaires pour activer les thérapies à base d’ARN au bon moment et au bon endroit chez le patient », explique Ewan McRae, le premier auteur de l’étude, qui démarre maintenant son propre groupe de recherche au « Centre for RNA Therapeutics » au Houston Methodist Research Institute au Texas, aux États-Unis.
Construction de un nanosatellite de l’ARN
Pour démontrer la formation de formes complexes, les chercheurs ont combiné des rectangles et des cylindres d’ARN pour créer une forme « nanosatellite » multi-domaine, inspirée du télescope spatial Hubble.
« J’ai conçu le nanosatellite comme un symbole de la façon dont la conception de l’ARN nous permet d’explorer l’espace de repliement (espace de possibilité de repliement) et l’espace intracellulaire, puisque le nanosatellite peut être exprimé dans les cellules », explique Cody Geary, professeur adjoint à iNANO, qui a initialement développé la méthode ARN-origami.
Cependant, le satellite s’est avéré difficile à caractériser par cryo-EM en raison de ses propriétés flexibles, de sorte que l’échantillon a été envoyé à un laboratoire aux États-Unis, où ils se spécialisent dans la détermination de la structure 3D de particules individuelles par tomographie électronique, appelée IPET. -méthode.
« Le satellite ARN était un grand défi ! Mais en utilisant notre méthode IPET, nous avons pu caractériser la forme 3D des particules individuelles et ainsi déterminer les positions des panneaux solaires dynamiques sur le nanosatellite », explique Gary Ren de la fonderie moléculaire de Lawrence Berkeley National Laboratory, Californie, États-Unis.
L’avenir de la médecine de l’ARN
L’étude des origamis d’ARN contribue à améliorer la conception rationnelle des molécules d’ARN à utiliser en médecine et en biologie synthétique. Un nouveau consortium interdisciplinaire, COFOLD, soutenu par la Fondation Novo Nordisk, poursuivra les recherches sur les processus de repliement de l’ARN en impliquant des chercheurs en informatique, en chimie, en biologie moléculaire et en microbiologie pour concevoir, simuler et mesurer le repliement à une résolution temporelle plus élevée.
« Avec le problème de conception d’ARN partiellement résolu, la voie est désormais ouverte à la création de nanostructures d’ARN fonctionnelles qui peuvent être utilisées pour la médecine à base d’ARN, ou agir comme éléments régulateurs d’ARN pour reprogrammer les cellules », prédit Ebbe Sloth Andersen.
