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Science:自我组装的RNA“瓦片”纳米技术

2014/09/09 来源:生命奥秘
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导读
基于核酸的纳米生物技术的目标是,建立具有准确结构及功能的三维物质,并能够通过其遗传序列对其编程。终极目标是,利用细胞内核酸合成剂组装机制,在靶向细胞内建立具有自我组装及生物学活性的纳米结构。Geary等人设计了RNA“瓦片”技术,在RNA转录过程中,将其折叠进入分子单元内。


RNA结构具有自我装配及可控和可扩展的特点。

基于核酸的纳米生物技术的目标是,建立具有准确结构及功能的三维物质,并能够通过其遗传序列对其编程。终极目标是,利用细胞内核酸合成剂组装机制,在靶向细胞内建立具有自我组装及生物学活性的纳米结构。Geary等人设计了RNA“瓦片”技术,在RNA转录过程中,将其折叠进入分子单元内。

DNA纳米技术是以双链碱基配对螺旋,以及一小部分循环使用的模序结构为基础的。多个DNA片段在体外以正确顺序连接在一起,通过碱基互补配对原则,建立可编程的亚组装结构,最终形成复杂的多级结构。该领域目前面临的一个主要挑战是,如何将这一生物工程技术应用于体内,完全采用自我组装的方法合成复杂物质。目前,还没有技术可以用于在细胞内常规合成短链DNA。但是,Geary等人建立的方法则可以对细胞进行生物工程操作,合成任何大小的RNA分子,这正是该技术引起关注的原因。

DNA纳米技术的开端是以对固定的四向交叉点进行操作为标志的。四向及三向交叉技术固有的灵活性,使其非常适于构建各种多面体,其中,DNA双链形成多边形的边,而交叉点则为多边形定点。为构建重复的平面阵列,四向交叉点需要彼此结合在一起,从而形成更加坚固的平面瓦片相叠结构。下一个重大的进展是,可编程的、反向平衡的双链交叉瓦片结构的设计。这是以“DNA折纸”方法的发明为基础的——这个方法可以通过数百个短互补DNA链相互接合在一起,将一条长的、单链DNA折叠成任意平面的形状。这一“折纸”方法可以被构建成3D形状,首先形成各种平面,然后形成多面体,由DNA链构成其面与边,然后形成DNA可编程的,由平行螺旋层构成的“砖块”,这些“砖块”可以相互结合形成DNA阵列,或者管状、甚至华夫饼样的结构。

与DNA不同,RNA的结构可以超出双链螺旋的限制。RNA可以形成一系列不同的碱基对,碱基对之间形成至少两个氢键。不同的碱基可以分为12个类型,包括标准的Watson-Crick类型。

其它11个非Watson-Crick碱基对,可以使得RNA形成大量和多种类型的循环结构模块,这些模块就是构成折叠RNA三级结构的基本单元。RNA纳米技术可以利用这些天然存在的3D模块及它们可以预知的相互作用,其中,很多具有生物学火星的RNA结构都可以具有原子级别的分辨率,例如核糖体、各类核酶,以及存在于核糖开关内的天然RNA适配体。

RNA纳米技术的一个优越的特性在于,可以科学地设计出在大小和复杂性上都能够与天然RNA物质,例如核糖体、剪接体等相比,甚至可以与极为复杂的DNA纳米结构相媲美的结构。但是,目前还缺少一个通用的蓝本,用于构建和那些已经存在的DNA为基础的物质相比的以RNA为基础的复杂物质。目前的目标在于,对存在于天然RNA复合体内的RNA的独特组装性质加以利用。而这一目标还受限于RNA体内合成的进程,也就是从DNA模板,在RNA聚合酶作用下连续转录形成RNA。

在细胞内环境中,RNA分子在等温条件下,从5’端向3’端合成。合成速度比新合成的RNA链折叠形成发夹结构的速度要慢得多。折叠形成发夹结构的过程里,需要多向交接点的系统进行,形成具有功能性的亚域结构。由于细胞内良好的离子环境(中等的离子浓度,以及充足的Mg2+),当RNA合成及二级结构折叠一完成,就开始自动组装形成三级结构。对于人工设计的RNA,当分子组块(瓦片)进行折叠后,它们可以连接其它元件,形成更大的重复结构,这一过程中依靠的是立体化学结构精确地远距离相互作用。

Geary等人巧妙地对这些RNA结构、模块以及折叠加以利用,设计了平面、可扩展的RNA瓦片结构,这些结构可以连续合成,形成链状结构,并在转录同时进行折叠,形成分子单元。这些瓦片的合成折叠是通过相应的模块进行调控的。这些模块被精确地置于RNA二级结构中,从而调控内部三级结构之间的作用(见图 RNA实时折叠技术),这一过程取代了DNA“折纸”技术中前后首尾相连的小片段双链。这些瓦片结构自我组装,形成超分子结构,是通过将RNA序列置于单个瓦片的周边而完成的,而单个瓦片结构会形成可控的“相接发夹”相互作用,这一RNA内的结构相当于DNA内的“粘性末端”。

事实上,Geary等人的研究成果可谓恰逢其时。因为这一方法为快速发展的合成生物学领域提供了很有价值的全新工具,可用于新的生物工程技术的开发和应用,从而对现有生命形式进行修饰及提高。

到目前为止,合成生物学领域的进展主要局限于以测序为基础的基因表达修饰技术,很少有对3D结构模块的精细研究与应用。在过去几年时间里,很多新类型的RNA被发现,但是对其功能与机制的研究却明显滞后,因为我们缺乏能够用于体内操控RNA的工具。Geary等人建立的方法,应该能够帮助纳米技术工作者及合成生物学家对DNA、RNA领域的研究成果加以应用,并建立新的方法及技术,用于活的细胞和有机体内的研究。这些新的方法和技术终将给我们对细胞乃至生命本身的观点发生革命性的改变。

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