Only Perception: 奈米影片：捕捉 RNA 分子的三維移動畫面

2007-12-21

奈米影片：捕捉 RNA 分子的三維移動畫面

Nano video captures motion of RNA molecules in 3-D
http://www.physorg.com/news117387859.html

December 20, 2007

你或許在 YouTube 找不到它，不過 Hashim Al-Hashimi 的影片能在科學圈子裡造成很大一陣轟動。

利用傳統解決方法，即核磁共振光譜學（NMR spectroscopy），的一種創新變化，密西根大學的研究者及其同事，創造出一段「奈米影片」，那以 3D 揭露 RNA 分子如何變形狀 -- 這種資訊能在藥物開發中提供有用資訊對付 HIV 這類病毒。

類似動畫已經由理論性計算被製造出來，不過 Al-Hashimi 的卻是基於實際實驗性資料，而且所覆蓋的時間尺度要比模擬長很多。該研究發表於 12/20 當期的 Nature 上。

RNA 是自然界中最忙碌的分子之一。一度被相信只不過是貯存與傳送遺傳資訊而已，不過現在已知它能完成其他多樣化的功能，從管控基因表現與其他維持生命所必需的細胞程序到當作一種感應器，那能夠偵測細胞訊號並完成恰當反應以作為回應。這個多才多藝的分子對於 HIV 這樣的病毒亦不可或缺。HIV 沒有 DNA 而改以倚賴 RNA 作為替代，為病毒侵入並擊敗其宿主所需的每樣東西，同時攜帶並執行遺傳指令。

典型上，RNA 藉由與某樣東西結合，然後接著徹底改變形狀來運作。形狀改變，接下來就會觸發其他程序或一連串事件。科學家知道這種變形，因為他們已看過之前與之後的 RNA 快照，首先是其未結合狀態，接著是它與某樣東西結合的樣子。這些靜態影像清楚地展現分子所採取的不同構造，不過那並沒有展現出它如何從某一形狀變到另一種形狀。

Al-Hashimi 的新奈米影片在分子的一部份 -- 梯子狀的臂狀物由一個彈性軸心（hub），或連接器（linker）所連接 -- 如何相對於另一個扭轉、彎曲與旋轉上，提供了三維的一瞥。

透過傳統的 NMR 獲得這樣的資訊是不可能的，Al-Hashimi 說，因為這種技術是測量相對於樣本所在磁場的移動。那種參考框架只能夠從某一觀點捕捉移動，結果只能產生一維的測量。為了要獲得三維視野，那揭露分子如何相對於另一個移動，Al-Hashimi 的小組想出一種策略，那能讓他們首先將磁場停留（park）在分子的上臂，接著在其下臂。

"將參考框架移動到分子上，然後從不同的觀點測量同樣的移動，很像從不同角度拍照，" Al-Hashimi 說，一位化學助教授與 U-M Biophysics Research Division 的助理研究科學家。"我們安放在一臂上，然後觀察其他的移動；接著我們安放在另一臂上並觀察第一臂移動。藉由結合這些測量，我們能提供 3D 視野。"

資料揭露二個臂狀物同時扭轉與彎曲，而且它們的移動並非隨機而是高度協調一致，在分子如何改變形狀上，展現出一種新程度的組織。Al-Hashimi 的小組從資料所產生的奈米影像長度，所提供的分子移動觀察，亦較基於理論性計算所完成之動畫來的長。這些動畫所展現的移動只存在 1 奈秒，然而 Al-Hashimi 的影片卻長達約 1 毫秒。

了解 RNA 移動的細節，對於與病毒 RNA 互動的藥物的設計將很有幫助。若研究者知道哪一部份很可能會改變以適應藥物，以及哪一部份很可能仍保持堅挺，那麼他們就能更精確地用藥與分子互動。在 Nature 所報告的研究中，Al-Hashimi 的團隊從 HIV 設計一種稱為 TAR 的特殊 RNA 分子，那對於病毒的複製格外重要，也因此是抗 HIV 藥物的關鍵目標。

用在此研究中的技術也能應用到生物學與醫學其他類型的重要分子上，例如蛋白質，Al-Hashimi 說。

Al-Hashimi 在 Nature 上的共同作者包括畢業生 Qi Zhang 與 Andrew Stelzer，以及在學生 Charles Fisher。該研究接受 NIH 的資金贊助。

※ 相關報導：

＊ Visualizing spatially correlated dynamics that directs RNA conformational transitions
http://www.nature.com/nature/journal/v450/n7173/abs/nature06388.html