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Science新突破:RNA折紙技術誕生

日期:2014-08-18 10:30:04

 

Aarhus大學和加州理工的科學家們發明了RNA折紙技術(RNA origami),將一條RNA鏈編織成為多種復雜的結構。這一突破性成果發表在本周的Science雜志上。

 

與現有DNA折紙技術不同的是,RNA折紙需要RNA聚合酶的參與,大量RNA可以同時折疊成指定形狀。另外,RNA折紙可以在活細胞中進行,利用細胞中的酶進行生產。

 

研究人員通過3D模型和計算機軟件進行RNA折紙的設計,然后合成編碼RNA鏈的DNA(基因)。在這些DNA中簡單添加RNA聚合酶,RNA折紙就能自動進行,這一過程可以在原子力顯微鏡下觀察到。

 

為了展示這一技術,研究人員將RNA折疊成為蜂巢結構,當然RNA折紙還可以形成許多其他的結構。“蜂巢狀結構在顯微鏡下很容易觀察到。我們甚至捕捉到了聚合酶制造RNA組裝蜂巢的過程,它們看起來就像是一群小蜜蜂。”Aarhus大學的博士后Cody Geary說。

 

DNA折紙已經差不多有十年歷史了,然而RNADNA相比有著一些重要的優勢。“DNA折紙很難寫入生物的基因組。而RNA折紙可以作為一個基因存在,然后由RNA聚合酶轉錄成RNA,” DNA折紙技術的發明者,加州理工的Paul Rothemund教授解釋道,他也是這項新研究的作者之一。

 

DNA折紙技術成本高,而且只能在細胞外進行。但RNA折紙能夠大量生產,我們只需要培養攜帶著相應基因的細菌。”Rothemund補充道。

 

“這一技術目前的主要應用是,為蛋白等微觀部件搭建腳手架。例如在這種腳手架的基礎上建立微觀的化工廠,”文章的通訊作者,Aarhus大學的助理教授Ebbe Andersen說。

 

RNA怎樣折疊?RNAAUCG組成,單鏈RNA可以在堿基配對的基礎上折疊起來。RNA中的最強配對是G-CA-UG-U,不過RNA也能形成其他的配對。DNA只能是G-CA-T配對,因此RNA的功能性更強,設計起來也更為復雜。天然RNA本來就會自我折疊,形成復雜的功能性結構。研究人員根據這些天然結構,鑒定了由AUCG組成的3D模塊,然后將這些模塊當作積木,進而實現RNA折紙。

 

怎樣設計RNA折紙?RNA折紙的設計是在計算機的幫助下完成的。設計者將RNA螺旋和3D模塊結合起來,在3D模擬環境中組成一條鏈,然后通過計算機軟件決定剩余的序列。研究者將這個RNA序列轉換為DNA,并合成相應的DNA鏈。這時RNA聚合酶就可以根據DNA序列,生成大量設計好的RNA結構。

 


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