RNA-molekyler spiller en vigtig rolle i udviklingen af ​​alvorlige sygdomme som kræft. Derfor kan de potentielt hjælpe os 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.

Udfordringen er dog, at vi i dag er nødt til at isolere RNA'et fra cellen, hvis vi vil undersøge det. Men på den måde kan vi ikke afsløre, hvordan RNA'et reelt fungerer i cellen.
Et godt spørgsmål er derfor, hvordan vi kan se RNA'et på 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'et 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.

Mikro-RNA påvirker udviklingen af sygdomme

RNA spiller en helt central rolle i cellen ved at bringe den genetiske kode for et protein, som den er lagret i vores DNA, ud af cellekernen og hen til det molekylære maskineri (ribosomerne), som bygger proteinet ud fra denne opskrift. Dette messenger-RNA (som det kaldes) er typisk opbygget af tusindvis af byggesten (nukleotider). Der findes imidlertid også RNA, som kun er opbygget af 20-25 nukleotider og som har en anden funktion end messenger-RNA. Det kaldes mikro-RNA, og det spiller en vigtig rolle i reguleringen af vores gener.

Mikro-RNA påvirker omkring to tredjedele af alle menneskets gener og spiller derfor med i mange forskellige biologiske processer i vores organisme – herunder udviklingen af sygdomme som kræft. Det er således dette mikro-RNA, vi gerne vil kunne studere, mens det udfører sin funktion i cellen.

Mikro-RNA-molekylerne bliver produceret på bestemte tidspunkter i løbet af en celles liv, og de udfører deres funktion i bestemte dele af cellen. Og mikro-RNA'et er ikke statisk: Det bliver hele tiden dannet, bearbejdet, transporteret og nedbrudt i cellen.

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 kunne spore disse mikro-RNA-molekyler i cellerne uden at forstyrre selve cellen.

DNA og sølv kan få RNA til at lyse op

I vores forskerteam har vi kombineret vores viden om DNA's biologi med viden om kemien bag fluorescerende nanomaterialer for at skabe en ny metode til at visualisere mikro-RNA-molekyler. Vores innovative teknologi benytter såkaldte “kyssende DNA-strukturer”, som er 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. Det betyder, at de kan absorbere energi fra en lyskilde og udsende en del af denne energi igen som synligt lys. Specifikt sker der det, at nogle af sølvnanoklyngernes elektroner bringes i en højere energitilstand ved belysningen, og der udsendes så lys (ved en længere bølgelængde), når elektronerne falder tilbage i deres grundtilstand. Det er en yderst nyttig egenskab, da sølvnanoklyngerne kommer til at virke som små lygter, der afslører, hvor den kyssende DNA-struktur helt præcist befinder sig i cellen i realtid.

Til at lave den kyssende DNA-struktur benytter vi specialdesignede DNA-strenge, der fungerer som et stillads. Når DNA-strengene kommer tæt på hinanden, danner de en stabil struktur, som sølv-nanoklynger kan binde sig til. Det sikrer, at sølvnanoklyngerne ikke kan vokse sig større end to nanometer og dermed miste deres fluorescerende egenskaber.

Det er ikke første gang, at forskere har koblet DNA og sølv sammen, men det er nyt at bruge et specialdesignet DNA-stillads, som i vores metode, og det er netop det, der giver os mulighed for at visualisere RNA'et direkte i cellen.

Stilladset består af to DNA-strukturer kaldet “Hoogsteen baseparrede trestrengede DNA'er”. Som navnet antyder består denne type DNA af tre strenge (og ikke to som normalt), og det er en struktur, der kun sjældent findes i naturen og kun i meget kort tid.

Sølvatomer kan binde sig til dette trestrengede DNA via cytosin, der er en af de fire DNA-byggesten. Når to sådanne strukturer med DNA og sølv-nanoklynger kommer tæt på hinanden, binder de sig til hinanden i en unik “kyssende DNA-struktur”, der samtidig skaber et optimalt miljø for dannelsen af de fluorescerende sølvnanoklynger. Når man lyser på disse sølvnanoklynger, udsender de rødt lys.

Kan hjælpe os med at se mikro-RNA

Vi har i vores forskning opdaget, at vi kan forhindre dannelsen af den kyssende DNA-struktur, når vi tilføjer en hale til den trestrengede DNA-struktur. Denne hale er designet sådan, at den kan genkende mikro-RNA. Og når mikro-RNA binder sig til halen, ophæves blokeringen, så der kan dannes en kyssende DNA-struktur.

På den måde har vi skabt et værktøj, der kan bruges til at afsløre, hvor meget mikro-RNA, der er i cellen, og hvor det helt præcist findes – i realtid. Hvis vi designer halen, så den kan genkende en specifik type mikro-RNA, der er involveret i sygdom, kan vi altså afsløre, om dette mikro-RNA er til stede i cellen.

Forskning har vist, at mikro-RNA'er blandt andet findes i mitokondrier (dvs. i de energiproducerende organeller i cellen) og muligvis spiller en rolle i hjerte-kar-sygdomme, Alzheimers sygdom og diabetes. Hvis vi skal udnytte det fulde diagnostiske potentiale ved mikro-RNA, er det derfor afgørende, at vi kan bestemme præcis, hvor det findes i cellerne.

Siden opdagelsen af mikro-RNA er der kun lavet få undersøgelser af, hvor det findes i celler, primært på grund af manglen på velegnede metoder. Det er derfor stadig uvist, om og hvordan mikro-RNA’ets tilstedeværelse i forskellige dele af cellen ændrer sig under henholdsvis normale forhold og under sygdom. Vores nye teknologi kan potentielt være en løsning på den udfordring.