16.06.2021 - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA)

RNA: Eine neue Methode zur Entdeckung ihrer hochauflösenden Struktur

Neue Forschung kombiniert experimentelle Daten und Molekulardynamik-Simulationen zur Untersuchung von Biomolekülen in ihrer natürlichen Umgebung

Die Struktur eines Biomoleküls kann viel über seine Funktionsweise und Interaktion mit der Umgebung verraten. Die doppelhelikale Struktur der DNA und ihre Auswirkungen auf die Prozesse der Übertragung genetischer Informationen bilden ein offensichtliches Beispiel. In einer neuen Studie von SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati, veröffentlicht in Nucleic Acids Research, wurden experimentelle Daten mit Computersimulationen der Molekulardynamik kombiniert, um die Konformation eines RNA-Fragments, das an der Proteinsynthese beteiligt ist, und seine Abhängigkeit von den in der Lösung vorhandenen Salzen zu untersuchen. Die Forschung hat zu einer neuen Methode für die hochauflösende Definition der Strukturen von Biomolekülen in ihrer physiologischen Umgebung geführt.

"Die Röntgenkristallographie, wie sie zur Entdeckung der doppelhelicalen Konformation der DNA verwendet wurde, ist nach wie vor eine der gebräuchlichsten Techniken zur Untersuchung von Biomolekülstrukturen", erklärt der SISSA-Physiker Giovanni Bussi. "Diese Technik erlaubt es uns, das Bild des Moleküls in fester, kristalliner Form zu rekonstruieren. Dies liefert jedoch eine statische Ansicht der Struktur, die nicht unbedingt derjenigen entspricht, die in der wässrigen natürlichen Umgebung, in der Biomoleküle normalerweise vorkommen, angenommen wird."

Aus diesem Grund begannen Forscher im letzten Jahrzehnt, die Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS, small-angle X-ray scattering) zu verwenden, um RNA-Moleküle zu untersuchen, die sehr dynamische Strukturen haben können. Diese Methode kann direkt in wässrigen Lösungen eingesetzt werden, die die physiologische Umgebung nachbilden. Außerdem kann die Zusammensetzung der Lösungen verändert werden, um zu untersuchen, wie sich die Moleküle an unterschiedliche Bedingungen anpassen. Leider hat SAXS jedoch eine begrenzte Auflösung, in der Größenordnung von einem Nanometer. Giovanni Bussi und Mattia Bernetti, ein Forschungsstipendiat bei SISSA, beschlossen daher, SAXS durch ein "Computermikroskop" zu verbessern, indem sie es mit Molekulardynamiksimulationen kombinierten, die eine computergestützte Rekonstruktion von Molekülstrukturen auf atomarer Ebene ermöglichen.

"Wir untersuchten ein Fragment der ribosomalen RNA, die an der Proteinsynthese beteiligt ist", erklären die Forscher. "Wir nutzten SAXS-Daten, die von wässrigen Lösungen mit verschiedenen Salzmischungen stammen und von Kathleen B. Hall von der Washington University School of Medicine in St. Louis zur Verfügung gestellt wurden, und kombinierten sie mit Molekulardynamik-Simulationen. Auf diese Weise entdeckten wir die Existenz von zwei unterschiedlichen Konformationen: eine kompaktere und funktionellere für den Proteinsyntheseprozess, die andere ausgedehntere, was die dynamische Natur der RNA bestätigt. Insbesondere stellten wir fest, dass die Prävalenz der einen Struktur gegenüber der anderen mit den in der Lösung gelösten Salzen variiert, was die Bedeutung der Untersuchung dieser Moleküle in einer Umgebung, die der der Zelle so ähnlich wie möglich ist, weiter unterstreicht."

Bernetti und Bussi schlussfolgern, dass die Ergebnisse der Studie, die in Nucleic Acids Research veröffentlicht wurden, über den spezifischen Fall hinaus Bedeutung haben und auf eine innovative Methode hinweisen, die zwei Vorteile bietet: "In dieser Arbeit haben wir Molekulardynamik-Simulationen und experimentelle SAXS-Daten kombiniert, um hochauflösende Strukturen von RNA-Biomolekülen zu erhalten. Dies ist ein nützlicher Ansatz in zweierlei Hinsicht: Einerseits erlaubt er, den experimentellen SAXS-Daten, die eigentlich nur ein sehr grobes Bild liefern, Details hinzuzufügen; andererseits erlaubt er, Ergebnisse der Molekulardynamik zu korrigieren, wenn die in den Simulationen verwendeten Modelle nicht genau genug sind."

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