一种能够存储信息、自行折叠成可工作的形状、并在信号到来时重塑自身的分子，对任何钻研微观世界的工程师来说都堪称天赐之物。生物学一直把它藏在大庭广众之下。RNA长期被视为在DNA与细胞蛋白质工厂之间传递指令的被动信使，如今正被征召从事建造工作：由药片控制的基因开关、由基因构成的逻辑电路、由单条链折叠而成的折纸结构，以及在活细胞内自行组装而成的支架。发表在《自然》杂志纳米科学与纳米技术增刊上的一篇领域综述认为，RNA的多功能性使其成为可编程物质，一种信息与功能共用同一套四字母代码的材料。
RNA作为建造材料的吸引力源于其双重本性。在细胞的工作分子中，唯有它既携带遗传信息，又承担通常由蛋白质负责的催化与结合功能。它的编码极其精简：四种核苷酸，即腺嘌呤、尿嘧啶、胞嘧啶和鸟嘌呤，它们以可预测的方式相互配对，使一条链能够折回自身，形成环、茎以及表面带有结合位点的复杂三维形状。与以稳定著称却僵硬的DNA纳米结构不同，RNA能在特定分子到来或环境发生变化时重塑自身。正是这种动态特性使它成为可编程物质：一台可以按指令开关、门控和重塑的机器。
最简单的机器是核糖开关，即充当分子开关的信使RNA结构，它们在与靶标结合时开启或关闭蛋白质的生产。天然存在的核糖开关响应细胞内的代谢物，而代谢物对治疗师或工程师来说并不容易操控，因此研究人员一直在筛选能够响应已获准用于人体的药物的RNA序列开关。2025年，康斯坦茨大学的Jorg Hartig团队展示了一种构建于细菌适体之上的核糖开关，该适体能够识别氧嘌呤醇，即痛风药物别嘌呤醇的活性代谢物。在哺乳动物细胞中，在两毫摩尔剂量的氧嘌呤醇作用下，该开关将靶基因的表达最多提升了154倍；在一毫摩尔剂量下则提升了65倍。研究人员还解析了晶体结构，展示了这种类药分子如何嵌入RNA之中。Hartig实验室表示，更新的开关可将表达放大高达1000倍。
这一治疗愿景，是一种带有调光开关的基因疗法。患有代谢缺陷的患者可能会接受由病毒载体或脂质纳米颗粒递送的校正基因，其信使中嵌入了一个核糖开关。吞下一片药，基因便会在当天开启；不服药，基因则得以休息，从而避免从不休眠的基因持续产生代谢物并造成毒性堆积。这一方法已在小鼠模型中经过测试，该团队正致力于推动临床应用。更精巧的设计将开关串联起来：浦项科技大学的Jongmin Kim团队构建了RNA逻辑门，只有当正确的信号组合出现时才会激活基因，他们将药物响应型核糖开关与能够检测特定RNA分子的toehold开关结合在一起。这些电路正在开发之中，用于引导经过工程改造的治疗性细菌，从而限制炎症性肠病中的组织损伤。
折叠，而非开关，才是前沿。RNA折纸将DNA折纸的碱基配对规则应用于一种更柔韧的材料。亚利桑那州立大学的Hao Yan团队将RNA折纸用作癌症疫苗的基础：细胞外的游离RNA是一种危险信号，在免疫系统的认知中与病毒感染相关联，由它构建的结构可以被调校，以唤醒肿瘤周围处于休眠状态的免疫细胞。这些构建体与免疫刺激分子联用并注射到癌症小鼠模型后，产生了强烈的肿瘤特异性免疫反应，并在乳腺癌和黑色素瘤模型中提高了存活率；该团队计划向临床测试推进。在细胞内，挑战则有所不同：RNA几乎一经转录便完成折叠，因此分别编码的链很难有机会相遇。因此，大多数设计依赖一条单链，经工程改造后在生成过程中即呈现预定形状，其中的茎环模块相互配对，构成吻环组装体。在近期的工作中，罗格斯大学的Fei Zhang团队证明，这类链能在人类细胞核内自组装成锯齿状支架、环状结构和渔网状网格，这些结构可以展示蛋白质结合域，也可以伸向染色体，在基因的源头对其进行调控。
另一条并行的研究路线是构建合成凝聚体，即模拟细胞用于浓缩酶并协调反应的相分离区室的液态液滴。由于这些液滴是流动的而非由壁包裹，它们可以合并、分裂并重新分配内部物质，按需汇集特定反应所需的原料。众所周知，蛋白质很难被改造成此类结构，因为其折叠过程难以控制；RNA可预测的碱基配对使其成为构建这些结构的理想替代材料。
该领域的局限与前景往往被同时提及。研究人员仍未能完全理解RNA在活细胞内的行为：在细胞内，拥挤的环境、RNA结合蛋白和降解机制都会介入设计与功能之间。要将折叠结构转化为可用的技术，就必须弥合这一差距。但前进的方向十分明确：承载细胞信息的分子正被征召进入细胞的机器车间。一条自行折叠成开关、逻辑门或支架的RNA链，不只是生物学上的奇观。它是一种信息与功能共用同一套代码的材料，正是纳米级机器的建造者梦寐以求之物。
References
Michael Eisenstein, The dark horse of biology: how RNA is becoming a nanotool maker’s dream. Nature 655, S2-S5 (2026). DOI: 10.1038/d41586-026-02180-6.
Vera Hedwig et al., Engineering oxypurinol-responsive riboswitches based on bacterial xanthine aptamers for gene expression control in mammalian cell culture. Nucleic Acids Research 53, gkae1189 (2025). DOI: 10.1093/nar/gkae1189.
婷 翻译