RNA-Funktionskontrolle durch strukturelles Design

Over the past two decades RNA has become a major focus of research. The discovery of ribozymes, riboswitches and small non-coding RNAs being involved in a large number of processes has led to much interest in the understanding of how RNA structure and conformation are linked to its function and how RNA function can be controlled by conformational design. Accordingly, it has become evident that more complex design targets are not amenable to manual sequence design, but require the use of computer based optimization methods. On the other hand, since even small errors in the energy model can significantly shift the balance between alternative conformations, computational RNA structure prediction is often not accurate enough to yield immediately functional RNA molecules. The computational models are, however, very efficiently able to reduce the search space to a small number of candidates that can be probed experimentally. By combining computer-aided prediction with wet-lab experiments, we aim at developing protocols and software tools for the design of functional RNA molecules. In particular three systems will be evaluated: (i) self-splicing and (ii) self-replicating RNAs derived from the hairpin ribozyme, and (iii) self-induced RNA switches. Design of the respective systems will build up on previous experimental work, and will be strongly guided and/or optimized by computational prediction of RNA folding kinetics, RNA complex formation and conformational distribution as an essential tool to successfully solve more complex design problems. In turn, experimental testing of the theoretical predictions will allow us to identify shortcomings of the computational models. Repeated rounds of modeling and testing will be used to iteratively refine model setup and parameters.

RNAs (Ribonukleinsäuren) spielen eine tragende Rolle im Lebenszyklus jeder Zelle. Sie bilden das Bindeglied zwischen dem genetischen Bauplan (DNA) und den daraus erzeugten Proteinen dar. Des Weiteren übernehmen sie eine Vielzahl von regulatorischen Aufgaben.Dieses Projekt beschäftigte sich mit dem computer-gestützten Design von RNAs mit neuen Eigenschaften sowie deren Modellierung. In Kollaboration mit dem Labor von Prof. Sabine Müller in Greifswald, Deutschland, konnten wir zeigen, dass RNAs die Möglichkeit haben sich selbst zu verlängern und sich selbst von einer aktiven Struktur in eine andere umzufalten. Diese Ergebnisse sind bedeutend für die Suche nach dem Ursprung des Lebens. Die RNA-Welt Hypothese besagt, dass RNA vor DNA und Proteinen existierte, wobei sich allerdings relativ lange RNA Moleküle bilden mussten. Unsere Resultate zeigen, dass spezielle RNA Moleküle präbiologische RNA-Genome aus kürzeren Sequenzen bauen konnten.Moleküle die sich selbst umfalten sind bisher nur für Proteine beschrieben worden. Die sogenannten Prionen sind Auslöser neurologischer Erkrankungen, wie Creutzfeldt-Jakob. In diesem Projekt entworfene RNA-Prionen könnten dabei helfen auch die molekularen Mechanismen solcher Krankheitserreger besser zu verstehen.