Zoals een enkel stukje van een puzzel in het geheel past, het molecuul hypoxanthine bindt aan een ribonucleïnezuur (RNA) keten, die vervolgens binnen een seconde van driedimensionale vorm verandert en zo nieuwe processen in de cel in gang zet. Dankzij een verbeterde methode onderzoekers zijn nu in staat om bijna ondenkbaar kleine structurele veranderingen in cellen te volgen terwijl ze vorderen - zowel in termen van tijd als ruimte. De onderzoeksgroep onder leiding van professor Harald Schwalbe van het Centrum voor Biomoleculaire Magnetische Resonantie (BMRZ) van de Goethe-universiteit is erin geslaagd, samen met onderzoekers uit Israël, bij het honderdduizendvoudig versnellen van de nucleaire magnetische resonantie (NMR) methode voor het onderzoeken van RNA.

"Hierdoor kunnen we voor het eerst de dynamiek van structurele veranderingen in RNA volgen met dezelfde snelheid als ze zich voordoen in de cel, " zegt Schwalbe, het beschrijven van deze wetenschappelijke doorbraak, en benadrukt:"Het team onder leiding van Lucio Frydman van het Weizmann Institute in Israël heeft hier een belangrijke bijdrage aan geleverd."

De nieuwe typen NMR-experimenten maken gebruik van watermoleculen waarvan de atomen in een magnetisch veld kunnen worden gevolgd. Schwalbe en zijn team produceren hypergepolariseerd water. Om dit te doen, ze voegen een verbinding toe aan het water die permanent ongepaarde elektronenradicalen heeft. De elektronen kunnen worden uitgelijnd in het magnetische veld door middel van excitatie met een microgolf bij -271°C. Deze onnatuurlijke uitlijning produceert een polarisatie die bij +36°C wordt overgedragen op de polarisatie van de waterstofatomen die in de NMR worden gebruikt. Op deze manier gepolariseerde watermoleculen worden in enkele milliseconden verwarmd en overgedragen, samen met hypoxanthine, naar de RNA-keten. De nieuwe benadering kan in het algemeen worden toegepast om snelle chemische reacties en hervouwingsveranderingen in biomoleculen op atomair niveau waar te nemen.

Met deze methode kunnen met name de iminogroepen in RNA nauwkeurig worden geanalyseerd. Op deze manier, de onderzoekers waren in staat om structurele veranderingen in RNA zeer nauwkeurig te meten. Ze volgden een klein stukje RNA van Bacillus subtilis, die van structuur verandert tijdens hypoxanthinebinding. Deze structurele verandering maakt deel uit van de regulatie van het transcriptieproces, waarin RNA wordt gemaakt van DNA. Zulke kleine veranderingen op moleculair niveau sturen een groot aantal processen aan, niet alleen in bacteriën, maar ook in meercellige organismen en zelfs mensen.

Deze verbeterde methode zal het in de toekomst mogelijk maken om RNA-hervouwing in realtime te volgen, zelfs als het minder dan een seconde nodig heeft. Dit is mogelijk onder fysiologische omstandigheden, dat is, in een vloeibare omgeving en met een natuurlijke molecuulconcentratie bij temperaturen rond 36 °C. "De volgende stap zal nu zijn om niet alleen enkele RNA's te bestuderen, maar honderden ervan, om de biologisch belangrijke verschillen in hun hervouwingssnelheden te identificeren, ", zegt Boris Fürtig van de onderzoeksgroep van Schwalbe.