核酸納米結構（DNA/RNA nanostructure）作為一種可靈活設計、可精確編碼、可準確組裝的人工納米結構，已在諸如環境監測、生物計算、智能材料等眾多領域顯現出可觀的應用前景。憑借著堿基之間嚴格精確的互補配對（A-T/U、C-G），核酸分子可通過其序列片段之間的匹配識別實現分子內或分子間的結合，進而得以實現復雜的高階組裝，從而形成具有特定形貌、特定功能的納米結構。迄今為止，絕大多數的核酸納米結構的設計和組裝均是通過兩種主流的組裝策略來實現的——折紙結構（origami）組裝策略和瓦片/磚塊（tiles/bricks）組裝策略，這兩種策略皆是依賴于對眾多條單鏈核酸分子之間組裝行為進行復雜的操控。由于這兩種策略的實現都需要眾多的核酸分子的參與，且相比DNA而言，RNA的合成難度更大、步驟更繁瑣、成本更高，這就造成了在整個領域中DNA納米結構的研究占絕對主流、RNA納米結構較少報道的現狀。此前有研究報道了一種全新的核酸納米結構組裝策略，旨在將單一一條核酸鏈進行內部的有序折疊（single-stranded Origami, ssOrigami），可以實現緊密堆積型核酸納米結構的組裝。基于此種策略，本文作者進一步開發了一種全新的單鏈網格狀核酸納米結構的設計策略，該策略可以將單鏈DNA或者RNA作為構筑單元，使其進行多級折疊進而組裝形成復雜的網格狀結構。本研究從分子多級折疊出發，利用兩種核酸結構模塊的穩定性差異劃分了組裝步驟的先后順序。這兩種結構模塊中，雙螺旋模塊的穩定性較高，Branched kissing loop (BKL)模塊穩定性較低，自由能的差異造成了兩種模塊形成的先后順序，穩定性較高的雙螺旋模塊先形成，之后穩定性較低的BKL模塊再形成。基于此發現，本研究中的ssOrigami組裝策略中，第一步折疊是由雙螺旋模塊的形成引發的，產物為一個包含了眾多莖環結構（stem-loop）的前體結構；在第二步折疊過程中，這些莖環結構按照預期的設計相互之間進行成對的識別并結合形成穩定性稍弱的BKL模塊，使上一步折疊的前體結構進一步組裝成完全體結構。并且由于BKL模塊本身分枝狀的結構特性，將其安置在C形狀的結構單元拐角處時，BKL模塊的形成可以引導這些C形單元有序組裝成規則的網格狀結構。通過這種組裝策略，本文作者成功設計了多種多樣的單鏈DNA和RNA納米結構，這些納米結構的正確組裝也進一步驗證了此策略的可行性和可靠性。圖 1. 利用分級折疊策略指導單鏈DNA/RNA進行折疊組裝。 (A) 分級折疊過程示意圖。(B) C型結構模塊排布成預期網格狀結構示意圖。(C-E) BKL結構模塊示意圖。(F-G)DNA 和RNA ssOrigami的設計和AFM、Cryo-EM結果展示基于此組裝策略，作者接下來又初步探索了這種單鏈網格狀折紙結構的功能化應用。他們將一種具有代表性的功能化元件——RNA熒光適配體嵌入在RNA網格狀結構的特定位置，并用一段12bp的螺旋區域將適配體與網格結構進行區域化分隔，以保證功能化元件與網格狀結構的獨立折疊，降低了錯誤折疊情況的發生概率。原子力顯微鏡和熒光顯微鏡表征結果都顯示了預期結構的正確組裝和熒光活性，此外細胞熒光實驗也表明該折疊策略在細胞內的可適用性。本研究建立了新的結構設計組裝策略，拓展了核酸納米結構的設計空間，對今后DNA和RNA納米結構領域的發展具有重要的意義。圖 2. 功能化單鏈RNA網格狀納米結構的構建。 (A)兩種具有熒光活性的RNA網格狀納米結構示意圖。(B) 單分散性和可聚集性納米結構的設計。(C-F) 功能化單鏈RNA網格納米結構的原子力顯微鏡和熒光顯微鏡表征結果。該研究成果由清華大學生命學院魏迪明課題組和清華大學免疫所、基礎醫學院曾文文課題組合作完成，論文題為“單鏈網格狀核酸納米結構的的程序化折疊”（Programmable in vitro and in vivo folding of single-stranded nucleic acid wireframe origami），于2024年5月22日發表于《化學》（Chem）期刊。清華大學生命科學學院2017級博士畢業生張天晴和醫學院2017級博士生錢鑫民為本文的共同第一作者。其中張天晴博士、曾文文教授和魏迪明副教授為本文的共同通訊作者。值得一提的，本文是張天晴博士自主設計開發的RNA nano-world三部曲的開篇之作。該研究得到科技部、國家自然科學基金委、清華-北大生命科學聯合中心等基金資助。https://doi.org/10.1016/j.chempr.2024.04.023
