RNA折纸：人造细胞骨架来构建合成细胞

为了实现从非生物成分中创造活细胞的长期目标，合成生物学领域的科学家们正在研究RNA折纸技术。该工具利用天然RNA生物分子的多功能性折叠新的构建块，使蛋白质合成成为多余的。在研究人造细胞的过程中，海德堡大学分子生物学中心的一个研究小组已经扫清了一个关键的障碍。利用RNA折纸技术，他们成功地制造出了可以折叠成细胞骨架状结构的纳米管。

　　

在合成生物学领域，科学家们以从非生命成分创造活细胞的长期目标，致力于研究RNA折纸技术。该工具利用天然RNA生物分子的多功能性来折叠新的构建模块，从而无需蛋白质合成。在追求人造细胞的过程中，由海德堡大学分子生物学中心的Kerstin G?pfrich教授领导的研究团队攻克了一个关键难题。他们利用新的RNA折纸技术成功制造出折叠成类似细胞骨架结构的纳米管。细胞骨架是细胞中一个重要的结构组成部分，赋予细胞稳定性、形状和移动性。这项研究工作为更复杂的RNA机械装置奠定了潜在基础。

构建合成细胞的一个主要挑战是制造蛋白质，蛋白质负责生物体内的几乎所有生物过程，从而使得生命成为可能。对于自然细胞而言，所谓的分子生物学中心法则描述了细胞中蛋白质合成的过程，即DNA转录为RNA，然后翻译成功能性蛋白质，这些蛋白质随后折叠以获得正确的结构，这对于其正常功能至关重要。G?pfrich教授解释说：“仅这一复杂过程就涉及超过150个基因。”她与她的团队“生命生物物理工程”在海德堡大学分子生物学中心（ZMBH）开展研究。

G?pfrich教授的研究始于如何创建绕过蛋白质合成的合成细胞这一问题，蛋白质合成在活细胞中是必不可少的。她采用RNA折纸技术，基于遗传信息——细胞结构的蓝图——仅通过自身折叠的RNA进行翻译。首先，通过计算机辅助过程设计一个DNA序列，它编码RNA折叠后应呈现的形状。为了接近期望的结构，必须选择合适的RNA基序并将其转化为遗传模板，最终合成一个人工基因。为了实现其中包含的蓝图，使用RNA聚合酶。该酶读取模板中存储的信息，并制造相应的RNA组件。之前专门开发的算法确保了计划中的折叠正确发生。

借助RNA折纸，海德堡合成生物学家及其团队成功创建了合成细胞的一个重要结构组成部分——人工细胞骨架。这些仅几微米长的RNA微管形成了一个类似于天然细胞结构的网络。据G?pfrich教授介绍，纳米管是朝着构建合成细胞迈出的又一步。研究人员在脂质囊泡中测试了RNA折纸，脂质囊泡是一种在生物学中广泛使用的简单细胞模型系统。通过所谓的RNA适配体，人工细胞骨架被绑定到细胞膜上。通过对遗传模板——DNA序列——进行有针对性的突变，还可以影响RNA骨架的性质。

G?pfrich强调：“与DNA折纸相比，RNA折纸的优势在于合成细胞可以自行制造其构建模块。”她补充说，这可能会为这类细胞的定向进化开辟新的视角。长期研究目标是为基于RNA的合成细胞创建一个完整的分子机械装置。

当前研究是Gpfrich教授从欧洲研究委员会获得的ERC启动基金的一部分。研究还得到了人类前沿科学计划、联邦教育和研究部、巴登-符腾堡州科学部在德国联邦和州政府卓越战略框架内的资助以及Alfried Krupp奖的资助。研究成果发表在《自然·纳米技术》杂志上。