חוקרים לוכדים ריבוזים בתנועה בפעם הראשונה

RNA היא מקרומולקולה ביולוגית מרכזית, רתומה כעת ברפואה ובננוטכנולוגיה. כמו חלבונים, תפקוד ה-RNA תלוי לרוב במבנה התלת מימדי המדויק שלו. מחקר שפורסם לאחרונה ב תקשורת טבע על ידי קבוצת Marcia, תפס, בפעם הראשונה, ריבוזים בתנועה – כמעט פריים אחר פריים. החוקרים תיעדו כיצד מכונת ה-RNA הזעירה הזו מתקפלת, מתגמשת ומרכיבה את עצמה, וחושפת את הכוריאוגרפיה המורכבת שלה בפירוט חסר תקדים.

תוך שימוש בגישת ביולוגיה מבנית אינטגרטיבית המשלבת טכניקות עדכניות – מיקרוסקופיה קריו-אלקטרונים (cryo-EM), פיזור קרני רנטגן בזווית קטנה (SAXS), ביוכימיה ואנזימולוגיה של RNA, עיבוד תמונה וסימולציות מולקולריות – המדענים צפו בהרכבה של "חיתוך מולבי-זימי" ו"חיתוך" עצמי של RNA. הרצף שלו, בעצם עורך את עצמו כדי להפוך למבצעי. הם תפסו את התהליך הדינמי של 'מאחורי הקלעים' שבאמצעותו מתקפל הריבוזים החבור העצמי לתוך המבנה הפונקציונלי שלו. המחקר הובל על ידי הצוות של מרקו מרסיה, לשעבר ראש קבוצת EMBL וכיום פרופסור חבר ומנהיג קבוצת SciLifeLab באוניברסיטת אופסלה, שוודיה.

פריצת דרך זו התאפשרה הודות למתקנים החדשניים ולשירותי המומחים ב-EMBL Grenoble, שאפשרו שילוב של שיטות ביולוגיה מבניות מתקדמות עם ביוכימיה ואנזימולוגיה של RNA. קבוצת Marcia נהנתה גם משיתוף פעולה הדוק עם המרכז לביולוגיה של מערכות מבניות (CSSB) המבורג, שם פותחו גישות חדשניות לעיבוד תמונה cryo-EM המותאמות לפרויקט הספציפי הזה, וה-Istituto Italiano di Tecnologia (IIT), אשר סיפקה מומחיות ברמה גבוהה בסימולציה מולקולרית.

"קביעת מבני RNA היא משימה מאתגרת – הגמישות הטבועה והמטען השלילי הופכים את ה-RNA ליעד קשה הידוע לשמצה ללימודי מבנה", אמר שחאר ג'דהב, עמית קדם-דוקטורט לשעבר ב-EMBL Grenoble, כיום פוסט דוקטורט באוניברסיטת אופסלה, שוודיה. "מאמצים מתמשכים והקרנה מקיפה על מיקרוסקופים אלקטרונים הביאו אותנו בסופו של דבר לדמיין דינמיקה חמקמקה של RNA."

התוצאה היא ה'סרט המולקולרי' השלם ביותר עד כה של מולקולת RNA הבנויה בעצמה, וחושף כיצד היא נמנעת מהמקבילה הביולוגית של יציאות: מצבים לא פונקציונליים שגויים, הידועים כמלכודות קינטיות.

כיצד תחום אחד מתזמר את קו העלילה של ה-RNA

בלב ההפקה הזו עומד דומיין 1 (D1), הפיגום המרכזי של הריבוזים וכפי שמסתבר גם המנהל שלו. תחום זה פועל כשער מולקולרי, המנחה את התחומים האחרים (D2, D3, D4) להיכנס בדיוק ברגע הנכון בתהליך הקיפול.

תנועות עדינות בחלקים מרכזיים של מולקולת D1 גורמות לאחד המקטעים שלה להיפתח ולפנות מקום לחלק הבא. כל תחום מצטרף לסצנה רק כאשר הקודם נמצא במקומו בצורה נכונה, ויוצר רצף חלק של כוריאוגרפיה מולקולרית המונע שגיאות מבניות ומבטיח פינאלה ללא רבב: היווצרות של מבנה שיכול לזרז תגובה כימית, החיונית לתפקוד הריבוזים.

לכידת הצילומים הנסתרים

על ידי ניתוח של מאות אלפי מולקולות RNA בודדות, הצוות שיחזר 'טייקים' ביניים שהיו בלתי נראים במבני גביש סטטיים. המסגרות החולפות הללו מראות כיצד ה-RNA חוקר תנוחות חלופיות לפני שהוא מתמקם במבנה הסופי שלו.

כדי ללכוד את הפריימים החולפים האלה, היינו צריכים לפתח אסטרטגיות חדשות לעיבוד תמונה cryo-EM. זוהי דוגמה מצוינת לאופן שבו חדשנות חישובית ונתוני cryoEM באיכות גבוהה יכולים לחשוף את הקונפורמציות הנסתרות של מכונות מולקולריות."

מאיה טוף, ראש קבוצה ב-CSSB, פרופסור במרכז הרפואי האוניברסיטאי המבורג-אפנדורף ומשתפת פעולה במחקר

סימולציות של נתונים ודינמיקה מולקולרית של SAXS הציעו תובנה משלימה לגבי הפלסטיות הקונפורמטיבית, וסייעו למדענים לחדד כל מסגרת מבנית ולהרכיב את קו העלילה המלא. החוקרים גילו שהאנרגיה הדרושה לריבוזים כדי לעבור בין צורות שונות הייתה קטנה מאוד, מה שלא רק מאפשר ל-RNA לעבור בצורה חלקה מצורה אחת לאחרת בחיים האמיתיים, אלא גם מקל על מחשבים לדמות במדויק את המעברים הטבעיים הללו מבלי שהמולקולה תתקע במיקומים לא מציאותיים.

"אחד היתרונות העיקריים של העבודה הזו הוא הסינרגיה בין הנתונים המבניים החדשים והחדשניים הללו על RNA לבין הדמיות מולקולריות מתקדמות שלנו של המערכת המאתגרת הזו", אמר מרקו דה ויבו, ראש מעבדת מודלים מולקולריים וגילוי תרופות ומנהל שותף למחשוב של Institu Italiano di Technologia בגנואה, ואחד המשתפי פעולה במחקר זה. "גישה משולבת זו הבהירה, ברמת פירוט אטומית חסרת תקדים, את הדינמיקה שמניעה את כל המכלול של מולקולת ה-RNA הזו, שפותחת כעת אפיקים חדשים למאמצי גילוי תרופות המכוונות ל-RNA."

מתסריטים עתיקים ועד ספין-אוף מודרניים

אינטרונים מקבוצה II, הריבוזימים המופיעים בסרט מולקולרי זה, נחשבים לאבות הקדמונים של הספליזוזום, המנגנון המורכב שעורך RNA בתאים אנושיים.

על ידי גילוי כיצד המולקולות הללו מתקפלות ביעילות ונמנעות ממלכודות קינטיות, המחקר מספק תובנה חדשה כיצד ייתכן שהחיים המבוססים על RNA פיתחו את כלי עריכת ה-RNA שלהם. מעבר לידע האבולוציוני, עבודה זו גם מכינה את הבמה לתכנון והנדסת RNA – המנחה כיצד ביוטכנולוגיות עתידיות עשויות לעצב מולקולות RNA להתקפל בצורה נכונה לשימוש בטיפולים או בננו-ביוטכנולוגיה.

פתיחת הדלת ל-RNA AI

מערכי הנתונים המפורטים והמנגנונים המולקולריים שנחשפו במחקר זה מציעים אמת מידה חשובה לאימון ובדיקת מודלים של AI. חלק ממבני ה-RNA שנפתרו כאן כבר שימשו בתחרויות CASP בינלאומיות – אותו אתגר חיזוי שהוליד את AlphaFold – כפי שתואר לאחרונה בכתב העת Proteins.

"עבודה זו צפויה למלא תפקיד מפתח בעיצוב גישות של בינה מלאכותית לחיזוי מבנה RNA, ולסלול את הדרך לקראת 'AlphaFold for RNA' חדש", אמרה מרסיה.

ההתכנסות הזו של דיוק ניסוי ולמידת מכונה מסמנת שלב חדש לביולוגיה מבנית RNA, שבו AI ו-cryo-EM וגישות ניסוי משלימות יכולות ללמוד זו מזו כדי לחזות, להמחיש ולהבין את הדינמיקה של המולקולה המגוונת ביותר של החיים.