RNAナノ粒子の3D折り畳み過程を可視化—新技術IPETがRNA構造研究を革新
米国ローレンス・バークレー国立研究所およびデンマークオーフス大学の研究者たちは、RNAナノ粒子の折り畳み過程の3D画像を単一分子レベルで捉えることに成功しました。最新のクライオ電子顕微鏡（cryo-EM）技術を駆使し、RNA分子がどのように自己折り畳みを行うかについて新たな知見を得ました。RNAは環境条件によって多様な構造へと変化する柔軟性を持つため、解析が極めて困難とされています。しかし、本研究では、従来の解析手法では困難だった単一分子レベルでの3D観察が可能となりました。
この研究は、2024年10月21日にNature Communicationsに発表されました。
RNA折り畳み研究に革命をもたらすIPET技術とは？
クライオ電子顕微鏡（cryo-EM）のシングルパーティクルアベレージング（SPA）法は、これまでRNAの3D構造を解析する主要な技術でした。しかし、この手法では多数の分子データを平均化して解析するため、RNAのダイナミックな折り畳み過程を個別に観察することが困難でした。
本研究では、新たに開発された個別粒子クライオ電子トモグラフィー（IPET: Individual-Particle cryo-Electron Tomography）を用いることで、この問題を解決しました。
IPETは、単一分子レベルでの3D画像取得を可能にする新技術であり、従来は信号が弱すぎるため「不可能」とされてきた手法を実現。
画像の平均化を行わずにRNA分子の個々の折り畳み過程を直接観察できるため、より正確な構造解析が可能。
フォーカス電子トモグラフィー再構成アルゴリズム、ミッシングウェッジ補正、コントラスト強調、電子線量最適化、グラフェングリッドの活用などの革新的な技術を統合。
ローレンス・バークレー国立研究所のガン・レン博士（Gang Ren, PhD）は、「1970年代から不可能と考えられてきた単一分子の3D画像化が、IPETによって実現しました」と述べています。
RNAオリガミの折り畳み過程をリアルタイム解析
研究チームはIPETを用いて、RNAオリガミ（RNA origami）と呼ばれる、人工的に設計されたRNAナノ粒子の折り畳みプロセスを詳細に調査しました。RNAオリガミは特定のナノスケール形状へと折り畳まれるように設計された分子ですが、その動的な折り畳みの瞬間を捉えることは従来困難でした。
IPETを用いた解析により、RNAが未成熟な状態から最適な構造へと折り畳まれるまでの「スナップショット」を捉えることに成功しました。特に、
折り畳みトラップ
コンパクトな構造へ移行するダイナミクスといった重要な過程が明確になり、RNAの折り畳みがどのように進行するのかを詳細に描いた「動画」を作成することが可能となりました。
この動画では、単一分子の3D形状の可視化、120の粒子の解析、RNAオリガミのダイナミックな折り畳み過程のアニメーションが紹介されています。
RNAワクチン・分子センサー開発への応用
オーフス大学のエッベ・アンデルセン博士（Ebbe Andersen, PhD）は、「IPET技術により、分子の世界をよりダイナミックに理解できるようになりました。この知見が、より効果的なRNAワクチンや分子センサーの設計に役立つことを期待しています」と述べています。
RNAはワクチンや分子医療センサーの開発において極めて重要な分子です。
特に、
mRNAワクチンの安定性向上
RNAを用いたナノデバイスの設計
RNAをターゲットとした創薬研究の加速
など、幅広い分野での応用が期待されます。
研究の意義と今後の展望
本研究により、RNAの折り畳み過程が単一分子レベルで可視化できる時代が到来しました。
IPET技術の発展により、RNAだけでなくDNAやタンパク質の動的な折り畳みの解析が可能に。
構造生物学・ナノテクノロジー・バイオ医薬品開発への応用が加速。
分子動態の詳細な理解が、次世代の医療・診断技術の基盤となる可能性。
RNA研究におけるこの技術革新が、個別化医療やRNAベースの治療法の発展に大きな影響を与えることが期待されています。
