RNA in Aktion: Wie sich ein Ribozym selbst zusammenfügt

Forscher haben erstmals in bisher unerreichter Detailgenauigkeit visualisiert, wie sich ein großes RNA-Molekül zu einer funktionalen Maschine zusammensetzt. Dies liefert wichtige Einblicke in Faltung und Fehlfaltung von RNA und legt die Grundlage für deren gezieltes Design und Engineering.

RNA ist ein zentrales Biomolekül, das heute vielfach in Medizin und Nanotechnologie genutzt wird. Ähnlich wie bei Proteinen hängt auch die Funktion von RNA häufig von ihrer dreidimensionalen Struktur ab. In einer neuen Studie haben Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnern aus der Marcia-Gruppe (EMBL Grenoble and Uppsala University), der Topf-Gruppe (LIV/UKE/CSSB) und der De Vivo-Gruppe (Istituto Italiano di Tecnologia) festgehalten, wie ein großes RNA-Molekül sich faltet, bewegt und zu einer funktionalen biologischen Maschine zusammensetzt – und das nahezu Bild für Bild.

Mit Hilfe von modernsten Methoden wie Kryo-EM, SAXS, RNA-Biochemie, Bildverarbeitung und molekularen Simulationen, konnten Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen dokumentieren, wie ein selbst-spaltendes Ribozym zu seiner funktionalen Struktur zusammenfindet.

Bei strukturell heterogenen, flexiblen oder dynamischen Proben wie beispielsweise RNA-Molekülen, stoßen traditionelle Cryo-EM-Workflows häufig an ihre Grenzen. Um diese Herausforderungen zu meistern, entwickelte Mauro Maiorca, Postdoktorand in der Topf-Gruppe, ein innovatives, spezialisiertes Bildverarbeitungsverfahren, das dabei hilft, Cryo-EM-Daten aus mehreren hunderttausend verrauschten Bildern zu analysieren. Diese Methode gruppiert Partikeln in konsistente konformationelle Klassen, wodurch die Auflösung funktionell wichtige Regionen innerhalb jeder Klasse verbessert werden kann. Dadurch konnte das Team Zwischenzustände rekonstruieren, die in statischen Kristallstrukturen üblicherweise verbogen bleiben. Die Verfeinerung der atomaren Modelle in den Cryo-EM-Dichtekarten erfolgte durch einen weiteren Postdoktoranden des Topf-Labors, Thomas Mulvaney, den Entwickler von TEMPy-ReFF, eine Software zur Verfeinerung atomarer Strukturen in Cryo-EM-Dichtemaps.

Dies ist ein hervorragendes Beispiel dafür, wie innovative Methoden zur robusten Partikelklassifikation und zur Verfeinerung von Dichtekarten, die am LIV für integrative Cryo-EM entwickelt wurden, insbesondere zur Aufklärung dynamischer Komplexe mit Einzelpartikel-Cryo-EM geeignet sind. Diese Ansätze können helfen, mechanistische Einblicke in virale Prozesse wie Assemblierung, Reifung, Eintritt und Immunflucht zu gewinnen.

Die Ergebnisse der Studie, die kürzlich im Journal Nature Communications veröffentlicht wurden, liefern den bislang vollständigsten „molekularen Film“ eines sich selbst assemblierenden RNA-Moleküls. Darüber hinaus zeigt der Film, wie RNA fehlgefaltete, nicht-funktionale Zustände – sogenannte kinetische Fallen – vermeidet.“

Diese Arbeit ebnet den Weg für das Design und Engineering von RNA und liefert Hinweise darauf, wie zukünftige Biotechnologien RNA-Moleküle so gestalten können, dass sie sich korrekt falten – etwa für den Einsatz in Therapeutika oder der Nanobiotechnologie. Auch bei RNA-Viren hängt die Funktion entscheidend von spezifischen Konformationen ab, einschließlich weitreichender RNA–RNA-Interaktionen während Replikation und Verpackung. Ein vertieftes Verständnis der Faltungswege und nicht-produktiven kinetischen Fallen könnte neue Ansatzpunkte für Interventionen eröffnen und die Entwicklung stabilerer und RNA-basierter Impfstoffe, dessen Funktion im Körper zuverlässig vorhergesagt werden kann, ermöglichen.

Originalveröffentlichung

Jadhav, S., Maiorca, M., Manigrasso, J., Saha, S., Rakitch, A., Muscat, S., Mulvaney, T., De Vivo, M., Topf, M., Marcia, M. (2025) Dynamic assembly of a large multidomain ribozyme visualized by cryo-electron microscopy. Nat Commun 16, 10195. doi.org/10.1038/s41467-025-65502-8