RNA har varit i rampljuset för sin huvudroll i banbrytande vaccinteknik, men RNA-molekyler är också nyckelspelare i cellernas inre funktion.
Denna mindre utforskade RNA-exploatering är föremål för en ny studie ledd av University at Buffalo publicerad 6 november i Nature Chemistry .
Arbetet undersöker vilken roll temperaturen spelar när RNA-molekyler genomgår fasseparation för att bilda fysiskt distinkta, gelliknande kondensat. Dessa kondensat är specialiserade, membranlösa strukturer som är involverade i olika cellulära processer och har associerats med neurodegenerativa störningar.
I slutändan kan studien hjälpa till att leda till nya sätt att tänka om biologi, biofysik och andra studieområden.
"Fasseparationen av biomolekyler har liksom revolutionerat vårt tänkande om hur celler delar upp processer", säger Priya Banerjee, Ph.D., docent vid UB Department of Physics, inom College of Arts and Sciences, som ledde studien.
"De flesta studier har varit proteincentrerade, med tanken att proteiner bildar dessa vätskeliknande kondensat, och vi har varit mycket intresserade av vad RNA gör med denna process. Hittills har studier begränsats till att undersöka hur RNA kan reglera protein fasseparation, så att titta på RNA som mer av en reglerande roll."
Studien gjordes i samarbete med Rohit Pappu, Ph.D., Gene K. Beare Distinguished Professor of biomedical engineering vid Washington University i St. Louis, och Venkat Gopalan, Phd, professor i kemi och biokemi vid Ohio State University.
Banerjee och Gable Wadsworth, en postdoktor i Banerjees labb och första författare till studien, blev fascinerade av hur RNA kunde bryta sig ur sin reglerande roll och fasseparera på egen hand. Genom ett systematiskt undersökningsarbete drog de slutsatsen att alla RNA-molekyler verkar ha lägre kritisk lösningstemperatur (LCST) fasbeteende, där fasseparation gynnas vid höga temperaturer. Vad som verkligen förvånade dem var att polyfosfat, RNA-ryggraden som saknar nukleobaserna och ribosgruppen, också visade LCST-fasbeteende.
För att komma till botten med detta observerade fenomen, slog Banerjee och Wadsworth sig ihop med Pappu och hans grupp för att förstå mekanismerna bakom beteendet.
"Vi använde beräkningar och en del av vår teoretiska förståelse av LCST-fasbeteenden och insåg att det som Banerjee och kollegor observerade var en kombination av två processer", säger Pappu. "Fosfatryggraden och lösningjonerna löses upp med ökad temperatur. Förlusten av hydratiseringsvatten från komplementära halvor driver RNA-molekyler att söka varandra, och jonerna överbryggar fosfatgrupper inom och över olika molekyler för att möjliggöra fasseparation."
Som ett resultat av detta blir de kondenserade faserna fysiskt tvärbundna nätverk, och tillsammans har Pappus och Banerjees grupper kommit fram till att nätverksbyggandet som erbjuds av starka interaktioner mellan RNA-molekyler kan möjliggöra olika fasbeteende vid uppvärmning eller kylning. Speciellt fann teamet att sänkning av temperaturen kan leda till ihållande kondensat. Banerjees labb arbetade också med Gopalans labb för att förstå hur kondensatbildning och samspelet mellan fasseparation och perkolering påverkar funktionerna hos ett gammalt RNA-enzym.
"RNA har den här intressanta termometern, om du vill, som känner av temperaturförändringar," säger Banerjee. "Denna studie är en ny riktning i hur vi tänker på fasseparation av molekyler i allmänhet, och kan leda till en ny förståelse av biologi, biofysik, materialvetenskap och till och med livets ursprung."
Pappu tillägger att han föreställer sig att använda RNA:s termoresponsiva fasbeteende i en rad applikationer från minnesbearbetning och lagring till biomaterial.
Mer information: Gable M. Wadsworth et al, RNA genomgår fasövergångar med lägre kritiska lösningstemperaturer, Nature Chemistry (2023). DOI:10.1038/s41557-023-01353-4
Journalinformation: Naturkemi
Tillhandahålls av University at Buffalo
