Eine RNA-basierte Toolbox für Fortschritte im Cellular-Computing
Die Parallelität zwischen Zellen und Computern ist gemeinhin bekannt. Zellen haben ihre eigenen Algorithmen und das Gebiet des „Cellular Computing“ ist darauf ausgerichtet, diese Algorithmen zu verschiedenen Zwecken, insbesondere auf dem Gebiet der Biologie, zu „hacken“. Mit dem Projekt RIBONETS (Programming cellular networks and community behaviour with synthetic RNA-based devices) widmete sich Prof. Ilka Axmann bezüglich der Durchführung dieser Hacks der Verwendung von RNA. „RNA bietet drei wichtige Vorteile“, erklärt Prof. Axmann. „Zum einen ist der RNA-Umsatz schnell, sodass es möglich ist, mit RNA-Netzwerken effiziente Rechenvorgänge auszuführen. Zum anderen lassen sich die RNA-Faltung und RNA-RNA-Interaktionen gut vorhersagen, was bedeutet, dass ein breites Spektrum innovativer Geräte hergestellt werden kann. Schließlich ist die RNA-Produktion energetisch günstig, da die Wirtszelle nicht von dem Rechenvorgang betroffen ist.“ Vor diesem Hintergrund umfasste RIBONETS die Entwicklung einer neuartigen RNA-basierten Toolbox für das Cellular-Computing – eine Grundvoraussetzung für neue RNA-Designs im Bereich der synthetischen Biologie und Lebenswissenschaften. „Die Verwendung der RIBONETS-Toolbox ermöglicht die Erstellung RNA-basierter Sensoren und RNA-basierter Geräte mit einer effizienten Regulierung der künstlich hergestellten Stoffwechsel- und Signalwege“, erklärt Prof. Axmann. Die Toolbox von RIBONETS besteht aus vollständig synthetischen RNA-Schaltern, die negativ auf die Expression eines ausgewählten Zielgens wirken. Es wurde ein flexibles Nukleinsäuresequenz-Design-Tool mit der Bezeichnung RNAblueprint entwickelt. Dieses Open-Source-Tool bietet eine benutzerfreundliche Schnittstelle und kann in GitHub gefunden werden. Auch wenn das Projekt ohne eine spezifische Anwendung vor Augen abgeschlossen worden ist, betont Prof. Axmann dessen immenses Potenzial: „In Zukunft werden RNA-basierte Diagnosen und Biotherapeutika die menschliche Gesundheit nicht nur durch technologische Anwendungen verbessern, sondern auch durch neue therapeutische Ansätze. Synthetische RNA und RNA-Aptamere – voraussichtlich in Kombination mit unterstützenden Proteinen wie CRISPRCas9 – bieten ein enormes Potenzial für die Anvisierung von Genen, die mit Erkrankungen verbunden sind, deren Behandlung bislang als unmöglich galt. Die neuesten Fortschritte auf dem Gebiet der Chemie werden eine direkte Verabreichung synthetischer RNA in Zellen ermöglichen, wodurch deren Potenzial bei zukünftigen Anwendungen in Nukleinsäure-Therapeutika noch vergrößert wird.“ Im Falle biomolekularer RNA-Sensoren meint Prof. Axmann, dass ähnlich wie bei dem von Pardee und Green entwickelten Zika-Virus-Biosensor gemäß dem Paper „Rapid, Low-Cost Detection of Zika Virus Using Programmable Biomolecular Components“ Plattformen für die Nutzung von RNA-Schaltern bereitgestellt werden könnten, um eine schnelle Detektion von Pathogenen zu ermöglichen. Über die Verbindung von isothermaler RNA-Amplifikation mit Toehold-Schalter-RNA-Sensoren war das Team in der Lage, im Plasma eines virämischen Makaken-Affen Zika-Virus-Sequenzen zu erkennen und deren Spezifität gegenüber eng verwandten Dengue-Virus-Sequenzen zu demonstrieren. Wann mit solchen Anwendungen zu rechnen ist, ist jedoch eine andere Geschichte. „Auf Grundlage der aktuellen Sachlage sind genaue Prognosen schwierig. Wir müssen die regulatorische Wirkung unserer negativ agierenden RNA-Regulatoren weiter verbessern. Dank RIBONETS sind wir jetzt an einem Punkt, an dem alle Pipelines eingerichtet worden sind und ein direktes Screening mit hohem Durchsatz in Reichweite ist“, sagt Prof. Ilka Axmann. Synthetische RNA-Schalter und -Biosensoren, die über RIBONETS entworfen und implementiert werden, könnten in vier bis fünf Jahren verfügbar sein. Abgesehen von der Toolbox liegt der Wert von RIBONETS auch in der Ausbildung und Schulung einer neuen Generation an RNA-Wissenschaftlern sowie in den Brücken, die zwischen der RNA-Bioinformatik und RNA-Wetlab-Biologie geschlagen worden sind. „Die von uns organisierten Workshops und Symposien stärken eine lebendige, interagierende RNA-Forschungs-Community“, schwärmt Prof. Axmann. Mit dem Abschluss des Projekts freut sich das Team jetzt bereits auf die Fortsetzung der Arbeit im Bereich der RNA-Forschung und insbesondere auf die Konsolidierung und Nutzung der RNA-Toolbox von RIBONETS.
Schlüsselbegriffe
RIBONETS, RNA, Bioinformatik, Zelle, Algorithmus, Weiße Biotechnologie, Medizin, Sensoren, Toolbox, RNAblueprint
