A molécula de RNA é comumente reconhecida como mensageira entre o DNA e a proteína, mas também pode ser dobrada em intrincadas máquinas moleculares. Um exemplo de uma máquina de RNA que ocorre naturalmente é o ribossomo, que funciona como uma fábrica de proteínas em todas as células.

Inspirados por máquinas naturais de RNA, os pesquisadores do Centro Interdisciplinar de Nanociências (iNANO) desenvolveram um método chamado "RNA origami", que torna possível projetar nanoestruturas artificiais de RNA que se dobram a partir de um único suporte de RNA. O método é inspirado na arte japonesa de dobrar papel, o origami, onde um único pedaço de papel pode ser dobrado em uma determinada forma, como um pássaro de papel.

O trabalho de pesquisa na Nature Nanotechnology descreve como a técnica de origami de RNA foi usada para projetar nanoestruturas de RNA, que foram caracterizadas por microscopia crio-eletrônica (crio-EM) no Centro Nacional Dinamarquês de crio-EM EMBION. O Cryo-EM é um método para determinar a estrutura 3D de biomoléculas, que funciona congelando a amostra tão rapidamente que a água não tem tempo de formar cristais de gelo, o que significa que as biomoléculas congeladas podem ser observadas mais claramente com o microscópio eletrônico.

Imagens de muitos milhares de moléculas podem ser convertidas no computador em um mapa 3D, que é usado para construir um modelo atômico da molécula. As investigações de cryo-EM forneceram informações valiosas sobre a estrutura detalhada dos origamis de RNA, o que permitiu a otimização do processo de design e resultou em formas mais ideais.

"Com feedback preciso do cryo-EM, agora temos a oportunidade de ajustar nossos designs moleculares e construir nanoestruturas cada vez mais complexas", explica Ebbe Sloth Andersen, professor associado da iNANO, Aarhus University.

Imagens Cryo-EM de uma amostra de cilindro de RNA continham duas formas muito diferentes e, ao congelar a amostra em momentos diferentes, ficou evidente que estava ocorrendo uma transição entre as duas formas. Usando a técnica de espalhamento de raios X de baixo ângulo (SAXS), onde as amostras não são congeladas, os pesquisadores puderam observar essa transição em tempo real e descobriram que a transição de dobramento ocorreu após aprox. 10 horas.

Os pesquisadores descobriram a chamada "armadilha dobrável", onde o RNA fica preso durante a transcrição e só depois é liberado.

"Foi uma grande surpresa descobrir uma molécula de RNA que redobra tão lentamente, já que a dobragem normalmente ocorre em menos de um segundo", disse Jan Skov Pedersen, professor do Departamento de Química e iNANO, da Universidade de Aarhus.

"Esperamos ser capazes de explorar mecanismos semelhantes para ativar a terapêutica de RNA no momento e local certos no paciente", explica Ewan McRae, o primeiro autor do estudo, que agora está iniciando seu próprio grupo de pesquisa no "Centre for RNA Therapeutics" no Houston Methodist Research Institute no Texas, EUA.

Para demonstrar a formação de formas complexas, os pesquisadores combinaram retângulos e cilindros de RNA para criar uma forma de "nanossatélite" de vários domínios, inspirada no Telescópio Espacial Hubble.

"Eu projetei o nanossatélite como um símbolo de como o design do RNA nos permite explorar o espaço de dobramento (espaço de possibilidade de dobramento) e o espaço intracelular, já que o nanossatélite pode ser expresso em células", diz Cody Geary, professor assistente da iNANO, que originalmente desenvolveu o método de origami de RNA.

No entanto, o satélite mostrou-se difícil de caracterizar por crio-EM devido às suas propriedades flexíveis, então a amostra foi enviada para um laboratório nos EUA, onde eles se especializam em determinar a estrutura 3D de partículas individuais por tomografia eletrônica, o chamado IPET -método.

"O satélite de RNA foi um grande desafio! Mas, usando nosso método IPET, fomos capazes de caracterizar a forma 3D de partículas individuais e, assim, determinar as posições dos painéis solares dinâmicos no nanossatélite", disse Gary Ren, da Molecular Foundry em Lawrence Berkeley National Laboratory, Califórnia, EUA.

A investigação dos origamis de RNA contribui para melhorar o desenho racional de moléculas de RNA para uso em medicina e biologia sintética. Um novo consórcio interdisciplinar, COFOLD, apoiado pela Fundação Novo Nordisk, continuará as investigações dos processos de dobramento de RNA envolvendo pesquisadores de ciência da computação, química, biologia molecular e microbiologia para projetar, simular e medir o dobramento em maior resolução de tempo.

"Com o problema de design de RNA parcialmente resolvido, o caminho agora está aberto para a criação de nanoestruturas de RNA funcionais que podem ser usadas para medicina baseada em RNA ou atuar como elementos reguladores de RNA para reprogramar células", diz Ebbe Sloth Andersen.