基于自下而上的合成生物学理念，旨在从分子构建模块工程化来构建一个细胞。合成生物学的最终目标是实现从无生命的分子组件构建出生命的最小单位——细胞。然而，传统的基于DNA纳米技术的构建方法存在一些局限性，例如依赖化学合成和热退火，无法在合成细胞内部自主生产。DNA纳米结构虽然在构建细胞骨架等方面取得了一定成功，但其作为功能材料与遗传信息载体的双重角色限制了设计空间。此外，DNA纳米结构通常需要化学修饰才能实现功能，如通过胆固醇进行膜锚定，这增加了在囊泡内部编码和生产的复杂性。同时，含有DNA纳米结构的囊泡通常处于平衡状态，与维持生命活动的非平衡态不符，且难以实现进化。

最近，德国海德堡大学生物物理工程系的Kerstin Göpfrich教授课题组提出了使用共转录RNA折纸来构建合成细胞的硬件。RNA折纸具有遗传编码性，能够在合成细胞内部通过RNA聚合酶直接从DNA模板转录生成，无需复杂的化学合成和纯化步骤。RNA折纸的折叠机制与蛋白质类似，可通过理性设计实现多种结构和功能，且其设计空间更大，灵活性更强。此外，RNA折纸的生产过程是一个主动的、非平衡的过程，与生命的非平衡态相符，有助于实现合成细胞的自主进化和功能维持。基于此，本研究探索了RNA折纸在合成细胞中的应用，包括其在细胞骨架构建、细胞形态调控、物质运输和信号传导等方面的潜力，为构建具有生命特征的合成细胞提供了新的思路和方法。

 Fig.1 基于RNA折纸的合成细胞骨架的构建理念。(a) 展示了生物细胞依据中心法则运作，需约150个基因参与翻译过程；而RNA折纸合成细胞所需基因更少且保持可进化性。(b) 呈现了RNA折纸共转录折叠机制，DNA模板经RNA聚合酶转录，RNA折叠成特定结构，进而自组装成更高阶的RNA折纸纳米管。(c) 揭示了DNA模板序列突变对RNA折纸纳米管功能和形态的影响。RNA折纸可作为合成细胞骨架的替代方案，其遗传编码性使合成细胞能主动生产构建模块，且RNA折纸设计灵活，能实现多种功能和结构，为构建可进化、基于RNA的合成细胞提供了可能。

Fig.2 GUVs内表达RNA折纸的方法及其实验验证。(a)和(b)分别展示了利用Mg²⁺离子载体和α-溶血素孔蛋白导入Mg²⁺和rNTPs来触发RNA折纸表达。(c) 五边形RNA折纸的AFM图，由五个三螺旋亚基组成。(d) 在1mM和6mM Mg(OAc)₂条件下孵育的RNA折纸的AFM图。(e) 荧光平板读数器实验结果，显示3H-4DT-iSpi RNA折纸的产生随时间变化的荧光强度。(f)和(g)展示了在GUVs内通过添加Mg²⁺触发RNA折纸转录的共聚焦叠加图像及荧光强度随时间变化的曲线。(h) 呈现了通过rNTPs供给触发转录的RNA折纸荧光强度变化。通过外部触发机制（Mg²⁺浓度变化或rNTPs供给）可成功在GUVs内启动RNA折纸的转录和折叠，α-溶血素孔蛋白的使用提高了GUV的形成效率，共聚焦显微镜观察到GUVs内RNA折纸的荧光信号，证明了RNA折纸在GUVs内的成功表达。

Fig.3 细胞骨架样的RNA折纸纳米管的设计与表征。(a) 展示了RNA折纸纳米管的计算机辅助设计，由单个RNA链共转录折叠形成，具有特定的尺寸和结构。(b) AFM图显示了野生型（WT）RNA折纸纳米管的形态和高度轮廓。(c) 共聚焦图像呈现了带有iSpinach适配体的RNA折纸纳米管在体外转录后形成的网络结构。(d)和(e)分别为WT、iSpi和dsOV RNA折纸瓦片以及由300个瓦片组成的纳米管的oxRNA分子动力学模拟结果。(f)和(g)分别展示了从AFM图像和模拟结果中计算得到的RNA折纸纳米管的持久长度。RNA折纸纳米管可设计并自我组装成长达数微米的三维结构，其持久长度受瓦片设计影响，WT纳米管具有较高的刚性，而iSpi和dsOV纳米管则较为灵活。分子动力学模拟结果与实验数据相符，验证了RNA折纸纳米管的力学特性，表明其可作为合成细胞骨架的潜在材料。

Fig.4 RNA折纸环的形成。(a)和(d)展示了通过粗粒度分子动力学模拟，发现WT-mut-polyU和WT-mut瓦片在中间螺旋的茎环区域出现错误折叠，导致环状结构的形成。(b) AFM图显示了体外转录的WT-mut-polyU RNA折纸环的形态和高度轮廓。(c) 环的内外半径的直方图。(f) 展示了模拟单个瓦片时，不同设计的β角度分布。(g) 呈现了模拟中茎环区域的键占有率。DNA模板上的突变可导致RNA折纸环的形成，而非纳米管结构。错误折叠主要发生在茎环区域，影响了瓦片间的连接角度，进而导致环状组装。提高Mg²⁺浓度可增加纳米管的刚性，抑制环的形成，但纳米管长度仍受影响。

Fig.5 RNA折纸细胞骨架在合成细胞中的表达。(a) 展示了在GUVs内表达的类似细胞骨架的iSpi RNA折纸纳米管的共聚焦时间序列图像。(b)和(c)分别展示了RNA纳米管在GUVs内转录触发后荧光强度和面积分数随时间的变化。(d) 展示了RNA折纸纳米管在GUV内膜上形成皮质的示意图和3D重建图。(e) 分析了有无生物素适配体的RNA纳米管在GUV内的分布。(f)和(g)呈现了生物素适配体功能化的RNA折纸纳米管导致的GUV变形情况及变形的量化分析。RNA折纸纳米管可在GUVs内成功表达并形成类似细胞骨架的网络结构，通过添加生物素适配体可实现纳米管与GUV内膜的结合，形成皮质。RNA纳米管的聚合导致GUV膜变形，且这种变形主要沿纳米管轴向发生，表明RNA折纸细胞骨架可主动影响细胞形态，为构建具有主动力学行为的合成细胞提供了实验依据。

本研究为基于RNA折纸在脂质囊泡内的表达构建合成细胞提供了概念框架。RNA折纸具有遗传编码性，合成细胞能自主产生构建模块。研究展示了利用RNA适配体实现功能，如膜结合。设计上的细微变化可导致形态上的显著变化，为定向进化方法带来前景。与蛋白质相比，在脂质囊泡内表达RNA折纸所需的生物衍生组件更少，只需T7 RNA聚合酶。这可能意味着实现一个能够自主维持并具备进化能力的化学系统变得更加可行，尽管目前这仍属推测，但未来科学界可能会基于共转录RNA折纸构建出多样化的合成细胞变体。

展望未来，基于RNA折纸的硬件将整合核糖酶，以实现能够执行复杂细胞任务的分子机器。在受限环境中研究核糖酶的活性已被证明与体外活性存在差异，这暗示了在囊泡中使用活性RNA折纸的前景。开发复制DNA模板的方法以及使用聚合酶核糖酶而非T7来生产RNA或直接自我复制RNA折纸也将是未来的研究方向。基于共转录RNA折纸的合成细胞构建方法与进化和人工智能指导的设计固有地兼容，这将增加合成细胞的功能复杂性，同时将进化这一生命的基本特征融入设计过程之中。从实际应用的角度来看，由RNA折纸制成的可遗传编码硬件可能会带来新的生物物理工具，用于操纵细胞和解决细胞生物学中的问题。

DOI: 10.1038/s41565-025-01879-3

https://www.nature.com/articles/s41565-025-01879-3

Kerstin Göpfrich

教育与研究经历：

2022年至今 海德堡大学分子生物学中心（ZMBH）正教授（W3）

2019年至今 马克斯-普朗克医学研究所研究员

2017-2019 玛丽Skłodowska-Curie博士后研究员

2013-2017 英国剑桥大学，物理学博士

2012-2013 英国剑桥大学，物理学硕士

2009-2012 德国埃尔兰根大学，物理与分子医学学士

研究方向：自下而上的合成生物学，专注于从无生命的分子组件构建出生命的最小单位——细胞。利用 DNA 纳米技术等工具，在合成细胞内部安排组件或从头构建功能单元。她的课题组研究结合了生物物理工具和实验方法，如 DNA 折纸、微流体、脂质囊泡、3D 打印、共聚焦和高速显微镜、原子力显微镜、低温电子显微镜以及计算方法，目标是创造出具有全新组装方式、信息传播和复制机制的细胞。

原创：南合鑫

审核：王娇娇

推送：陈飞飞