Сконструирован цитоскелет из РНК для синтетической клетки

Создание самоподдерживающейся синтетической клетки — одна из самых амбициозных целей современной биологии. Несколько научных групп продемонстрировало успешную транскрипцию РНК и трансляцию белков внутри гигантских однослойных везикул (giant unilamellar vesicles, GUV). Однако синтетическая клетка должна быть способна регенерировать свои компоненты, а существующие системы транскрипции и трансляции in vitro требуют поступления извне десятков белков, рРНК и тРНК. Производство белка в GUV возможно, но пока недостаточно эффективно; кроме того, только для поддержания аппарата трансляции белков необходимо не менее 150 генов и их продуктов.

Чтобы обойти эту проблему, авторы статьи в Nature Nanotechnology предлагают создать синтетическую клетку на основе РНК. В такой клетке трансляция белков не нужна — и каталитические, и структурные функции выполняет РНК. «Короткое замыкание» Центральной Догмы, удаляющее последнее звено из последовательности «ДНК — РНК — белок» и тем самым создающее систему с единственным шагом между генотипом и фенотипом, упрощает задачу конструирования синтетической клетки. В то же время система, в которой ДНК — информационный материал, а РНК — функциональный, обладает достаточной гибкостью. В качестве первого шага авторы получили из РНК структуру, подобную элементам цитоскелета, которая способна расти и изменять форму GUV.

 Nature Nanotechnology. (2025). DOI:  10.1038/s41565-025-01879-3 |  CC BY 4.0

Цитоскелет эукариотической клетки состоит из закрепленных на мембране и связанных друг с другом белковых филаментов, образующих сложную сеть. Среди его функций — поддержание формы клетки, перемещение органелл, при необходимости обеспечение подвижности. Следовательно, нити цитоскелета должны быть прочными и при этом обладать способностью к сборке, разборке, присоединению к компонентам клетки.

Недавние разработки в области нанотехнологий нуклеиновых кислот сделали возможным проектирование нанотрубок из РНК-субъединиц (их называют «плитками» — tiles), каждая из которых содержит несколько нитей. Ранее были предложены элементы для сборки наноразмерных устройств из одноцепочечной РНК, способной к котранскрипционному сворачиванию и не требующей высокотемпературного отжига для приобретения правильной структуры. Плитки взаимодействуют за счет боковых «целующихся» петель, в то время как внутренние петли формируют саму плитку из нити РНК.

Авторы новой работы объединили эти идеи, чтобы создать одноцепочечные РНК, способные собираться в нанотрубки микрометровых размеров. Изменение структуры внутренних петель РНК-плиток сделало их изогнутыми; конструкция, которая собирается из них, приобретает кривизну, и образуется прочная полая трубка, подобная элементам белкового цитоскелета обычной клетки. Из нанотрубок, в свою очередь, собрали нити микрометрового размера путем добавления ионов Mg²⁺.

Синтез таких структур может происходить и внутри везикулы с липидной мембраной. В GUV инкапсулируются полимераза T7 и ДНК-матрица, а необходимые для синтеза нуклеотиды и ионы магния поступают внутрь через α-гемолизиновые нанопоры. Выход транскрипции впечатляет: структуры РНК могли занимать значительную часть просвета GUV. Таким образом, РНК-структура, подобная цитоскелету, впервые была получена внутри везикулы, путем продукции in situ.

Затем авторы решили собрать из РНК кортекс — присоединить РНК-нанотрубки к мембране везикулы, подобно тому, как в живой клетке компоненты цитоскелета присоединяются к мембране через септины. Для этого использовали биотинилированную мембрану и биотиновые аптамеры в составе РНК-плитки. В результате образовался РНК-кортекс на внутренней мембране везикулы, который изменял ее форму.

Небольшие замены в последовательности РНК привели к тому, что вместо прямых нанотрубок начали собираться нанокольца с внутренним диаметром около 25 нм. Было бы интересно проверить, как эти нанокольца взаимодействуют с мембраной и смогут ли они образовывать кольцо деления в синтетических клетках, отмечается в комментарии Nature. Авторы показали, что изменения концентрации Mg²⁺ способствуют появлению переходных форм между нанокольцами и прямыми нитями. Возможно, в будущем удастся создать дизайн плитки, которая будет формировать нити или кольца в зависимости от содержания Mg²⁺ в среде.

Перестройку РНК-цитоскелета можно обеспечить как минимум двумя способами. Первый — колебания уровней транскрипции и деградации необходимого продукта, второй — РНК-хеликазы, управляющие сборкой и разборкой РНК-микротрубочек. Поскольку эффективность хеликаз зависит от содержания GC в РНК, такой подход позволил бы проектировать элементы цитоскелета с различной продолжительностью жизни.

Будет ли когда-нибудь решена задача по конструированию РНК-клетки? Успех в моделировании цитоскелета вселяет оптимизм, и один необходимый для этого белок — полимераза Т7 — это намного проще, чем 150 белков, необходимых для трансляции. Однако вопрос о замене белковой РНК-полимеразы на рибозим с аналогичной активностью пока не решен. РНК-полимеразу, способную к самовоспроизведению, не удалось получить (хотя успехи в этом направлении есть). Транскрибировать с помощью рибозима другие последовательности, такие как РНК-оригами для построения цитоскелета, по-видимому, еще сложнее.

Тем не менее цитоскелет из РНК демонстрирует возможности данного подхода. Если эволюцией дизайна котранскрипционных РНК-оригами для синтетических клеток будет управлять ИИ, это может значительно ускорить получение результата по сравнению с традиционными инженерными подходами. Помимо создания РНК-клетки, отмечают авторы в заключение, есть и более практичные цели — например, биофизические инструменты на основе РНК для манипулирования клетками и решения различных экспериментальных задач.

Рибозим со свойствами РНК-полимеразы синтезировал функциональные молекулы РНК

Эксперимент по эволюции РНК, кодирующей РНК-репликазу: промежуточные итоги