Ny teknologi bruger sølv til at få RNA til at lyse op i levende celler

RNA-molekyler spiller en vigtig rolle i udviklingen af ​​alvorlige sygdomme som kræft. De kan også hjælpe med at afsløre, om en person har kræft, og hvordan sygdommen vil udvikle sig.

Så hvis vi vil vide, om en person har kræft, er det en god idé at se på RNA-molekylernes adfærd i celler.

I dag er vi nødt til at isolere RNA fra cellen, hvis vi vil undersøge det, hvilket gør det umuligt at løfte sløret for, hvordan RNA reelt fungerer i cellen.

Men hvordan kan vi se RNA arbejde uden at isolere det?

Vores forskning viser, at svaret muligvis ligger i små klynger af sølvpartikler, der er indkapslet i DNA-sensorer.

Vi har udviklet en teknologi, som gør det muligt at følge RNA i realtid i cellen, og vise os det cellulære maskineri, der er involveret i udviklingen af ​​alvorlige sygdomme.

Men før jeg forklarer, hvordan den nye teknologi fungerer, skal vi først have på plads, hvorfor RNA har så stor betydning.

MikroRNA påvirker udviklingen af sygdomme

Forestil dig, at du skal følge en meget lang og detaljeret opskrift. Opskriften er lidt forvirrende, så du beder ChatGPT om at lave en kortere version, der kun giver dig de vigtigste instruktioner.

Ligesom ChatGPT sender RNA-molekyler de vigtigste instruktioner fra dit DNA til dine celler (DNA’et er i cellerne i forvejen), så de kan lave proteiner, der kan udføre de nødvendige opgaver i kroppen.

Udover almindelig RNA, som er sammensat af hundredvis af små byggesten (nukleotider), findes der også mikroRNA. De består af 20-25 nukleotider og spiller en anden rolle end RNA.

MikroRNA er afgørende for regulering af vores gener og påvirker omkring to tredjedele af alle menneskelige gener.

Vi mister vigtig viden ved at isolere RNA

Det spiller også en central rolle i reguleringen af ​​forskellige biologiske processer, herunder udviklingen af ​​sygdomme som kræft. For at gøre deres job rigtigt er mikroRNA-molekyler placeret i bestemte dele af cellen.

Mange RNA-molekyler (inklusiv mikroRNA) bliver produceret på bestemte tidspunkter i løbet af en celles liv, og mængden af RNA, der laves, kan ændre sig alt efter cellens behov.

RNA er ikke statisk i cellen; det bliver hele tiden dannet, bearbejdet, transporteret og nedbrudt.

Men når man isolerer RNA fra cellerne for at studere det (som vi gør i dag), går meget af informationen om dets liv i cellen tabt.

Derfor er det vigtigt at spore disse mikroRNA-molekyler i cellerne uden at forstyrre selve cellerne.

DNA og sølv kan få RNA til at lyse op

Som bioteknologer har vores forskerteam kombineret vores viden om DNA's biologi med viden om kemien bag fluorescerende nanomaterialer for at skabe en ny metode til at visualisere RNA-molekyler.

Vores innovative teknologi udnytter, hvordan DNA og nanomaterialer kan interagere, ved at bruge 'kyssende DNA-strukturer' dannet af nanoklynger af sølv.

’Kyssende DNA’ er en betegnelse for en særlig struktur, der opstår, når sølv-nanoklynger binder sig mellem DNA-molekyler.

Når nanoklynger af sølv er mindre end to nanometer, har de fluorescerende egenskaber, altså de lyser op.

Vi har bygget et DNA-stillads

Det gør det muligt at studere mængden af mikroRNA i cellen (hvor DNA’et også er), og hvor mikroRNA’et er placeret i cellen i realtid.

For at få den rigtige størrelse og forhindre sølv-nanoklyngerne i at vokse sig større end to nanometer, skal man bruge et ‘stillads’. Til dette bruger vi DNA.

Når to specialdesignede DNA-strenge kommer tæt på hinanden og danner en slags 'kyssende' vekselvirkning, skaber de en stabil struktur, hvor sølv-nanoklynger kan binde sig til dem.

DNA og sølv er blevet sat sammen af forskere før, men det specialdesignede DNA-'stillads' er nyt og giver os mulighed for at visualisere RNA direkte i cellen uden at isolere det.

DNA-strukturer der kysser med halen

I denne teknologi udnytter vi de særlige kyssende DNA-strukturer til at opdage mikroRNA.

Normalt opfører DNA-strenge sig som en slags lynlås, hvor de klæber sammen.

Her designer vi sjældne DNA-strukturer, som kun findes i naturen af og til og i meget korte perioder.

De kaldes 'Hoogsteen-baseparrede trestrengede DNA'er', og som du måske kan gætte ud fra navnet, er der ikke kun to, men tre DNA-strenge i en sådan struktur.

Når trestrengede DNA-strukturer bruges som stillads for nanoklyngerne af sølv, danner de en kyssende-DNA-struktur, der skaber lysende rød fluorescens.

Kyssende DNA-strukturer kan hjælpe os med at se mikroRNA

I vores forsøg har vi set, at vi forstyrrer dannelsen af ​​kyssende DNA-strukturer, når vi tilføjer en hale til den trestrengede DNA-struktur.

Forestil dig denne hale som et ekstra stykke eller forlængelse for enden af ​​vores trestrengede DNA, der kan genkende mikroRNA.

Når halen er travlt optaget af mikroRNA'et, forstyrrer den ikke den kyssende DNA-struktur. Det er denne opdagelse, som giver mulighed for at spore biologiske tegn på sygdomme i mikroRNA’et.

Vi kan udvikle sølv-nanoklyngerne til at udsende en pulserende rød fluorescens, når et mikroRNA binder til DNA-halen, hvilket skaber et synligt signal, der indikerer, om et specifikt mikroRNA, som vi forbinder med sygdom, er til stede.

Hvorfor skal vi vide, hvor ​​mikroRNA er i cellerne?

Forskning (se her, her og her) har vist, at mikroRNA blandt andet findes i mitokondrier (den del af cellen, der producerer energi), og muligvis spiller en rolle i hjerte-kar-sygdomme, Alzheimers og diabetes.

Så for at udnytte det fulde diagnostiske potentiale ved mikroRNA er det afgørende, at vi kan spore deres placering i cellerne.

Men siden mikroRNA første gang blev opdaget, er der blevet lavet få undersøgelser af molekylernes placering i celler, primært på grund af tekniske udfordringer som deres lille størrelse.

Det er stadig uvist, om og hvordan ​​mikroRNA’ets placering i forskellige dele af cellen ændrer sig under henholdsvis sunde og syge forhold.

Vores nye teknologi kan være en løsning på den udfordring, og kan muliggøre undersøgelser, hvor vi ikke skal ødelægge cellerne for at isolere mikroRNA'et.

Det, vi stadig skal blive klogere på

Der findes over 2500 typer af mikroRNA-molekyler i menneskekroppen, men vi har endnu ikke identificeret det mest pålidelige mikroRNA eller sæt af mikroRNA, der kan genskabes og bruges til diagnostik.

For sygdomme som kræft og sygdomme i hjernen, for eksempel Alzheimers, finder man allerede mikroRNA-biomarkører, der kan hjælpe med at opdage sygdommen tidligt, dog med den gamle metode hvor man trækker RNA ud af cellen og mister meget information.

Det skyldes både biologiske og teknologiske problemer.

På teknologisiden kræver de nuværende metoder til at opdage isoleret mikroRNA's mange trin, komplekse processer og dyre materialer.

Vores kysse-DNA-strukturer kan dog registrere mikroRNA'et direkte i cellerne, og vi ser frem til at bruge denne viden til at forbedre påvisningen af isoleret mikroRNA og muliggøre tidlig diagnose.

En hurtigere og billigere metode

Styrken ved vores teknologi er dens enkelhed. Sammenlignet med de nuværende metoder fjerner vores teknologi behovet for avanceret udstyr, dyre materialer og komplicerede processer med flere trin.

Desuden kan metoden også bruges til andre ting.

Det tager flere timer at bruge teknologien til at opdage mikroRNA direkte i levende celler, men det tager kun 30 minutter at identificere isoleret mikroRNA.

Ved først at bruge teknologien til at følge RNA-molekylernes liv direkte i levende celler, kan vi blive klogere på mikroRNA’ets biologi og hvilke af dem, der kan være pålidelige biomarkører for sygdomme.

Den viden kan efterfølgende bruges, når vi bruger teknologien på isoleret mikroRNA fra menneskelig væv, og forhåbentligt diagnosticere alvorlige sygdomme tidligere.

Hvad nu for DNA sølvnanoklynger?

Kombinationen af DNA og sølv kan altså potentielt forbedre vores forståelse af menneskets biologi og ikke mindst vores udvikling af alvorlige sygdomme.

Endnu vigtigere har vi vist, at vi kan ændre, hvordan sølvnanoklynger lyser, alt efter hvordan DNA er opbygget.

Det giver os nye muligheder for at bruge DNA til at finde flere forskellige biomarkører i celler, udover RNA.

Det kan eksempelvis være, at vi kunne få reaktive oxygenarter (ROS) til at lyse op i cellerne. ROS er molekyler, der kan forårsage betydelig skade på celler og væv.

I forbindelse med sygdomme kan et overskud af ROS føre til oxidativt stress, hvilket kan være et tegn på tilstande som kræft, diabetes og hjernesygdomme.

Derfor arbejder vi også på at udvikle teknologien, så den kan bruges til at få øje på andre signaler i cellerne på, at der er sygdom undervejs.