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Volume 5 | Article ID 0050 |
https://spj.science.org/doi/10.34133/bmef.0050
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近日，亚利桑那州州立大学生物设计研究院分子设计和仿生学中心主任颜颢教授在Science合作期刊BMEF (BME Frontiers) 上发表题为“NucleoCraft: The Art of Stimuli-Responsive Precision in DNA and RNA Bioengineering”的综述文章。随着生物工程的不断发展，精确操控生物分子结构的刺激响应机制正引领着结构生物学与医学科学的前沿探索。目前，已有大量纳米材料在特定刺激（如pH、酶、微RNA、光、温度和电场）下展现出自我调节的能力，如脂质体、高分子胶束、硅纳米颗粒和磁性纳米颗粒等。虽然刺激响应技术已取得显著进展，但开发安全、精确的新型纳米材料仍面临挑战。核酸因其独特的特性和纳米尺度的程序化能力，成为自组装纳米结构和纳米设备的重要构建块。核酸纳米技术，顾名思义，就是利用DNA和RNA分子作为构建基块，通过特定的序列设计和自组装过程创造出具有特定形状和功能的纳米结构（图1）。经过几十年的不懈努力，核酸纳米技术逐渐从理论走向实践。本文回顾了DNA和RNA纳米技术的发展及其刺激响应设计的机制，系统总结了近期在刺激响应DNA和RNA纳米结构方面的进展，并讨论了结构DNA和RNA纳米技术生物工程的挑战与机遇。![]()
图1. 结构核酸纳米技术。（A）通过自组装固定的4WJ和DX基序设计DNA 2D晶格。（B）DNA折纸自组装的基本设计原理（左）和复杂的线框DNA折纸（右）的演示。（C） 单链DNA折纸路由示意图（左）;基于KL的单链RNA折纸示意图（中）;基于KL的RNA拼接的设计原理（右）
自组装的DNA纳米结构，凭借其卓越的可编程性、生物相容性以及高度可控的物理和化学特性（涵盖大小、形状及表面修饰等），已成为生物医学领域不可或缺的材料，广泛应用于诊断、靶向药物传输及治疗等多个方面。除静态复杂结构的构建外，制造能够对外部刺激响应的动态结构进一步扩展了它们在精准生物医学中的应用。DNA纳米结构的构建策略主要包括三种核心方法：基于DNA瓦片的自组装、DNA折纸术以及超分子组装技术。其中，DNA瓦片自组装技术作为一种自下而上的方法，通过组织工程化的DNA结构单元（即瓦片）来预设并构建出一维、二维乃至三维的纳米结构。近期的研究已成功设计出动态、刺激响应性的瓦片基DNA纳米结构，它们能够智能地适应并响应环境变化，从而调整自身构型，这一突破标志着DNA基组装体在功能与应用层面的巨大飞跃（图2）。图2. 刺激响应基于瓦片的 DNA 纳米结构
DNA折纸术的诞生，则是结构DNA纳米技术发展历程中的一个里程碑，它实现了从瓦片组装向更高级别、能够精准折叠成复杂二维及三维形状的DNA纳米结构的转变。该技术不仅赋予DNA链以非凡的塑形能力，还通过结合动态重构技术，进一步提升了其在响应生理刺激方面的灵活性与模块化特性。这一转变不仅推动了复杂纳米机械任务的自动化执行，更为生物医学领域开辟了前所未有的创新路径。此外，将DNA构建块与多样化的有机、无机及高分子材料相融合（如金纳米颗粒，DNA水凝胶等），标志着DNA纳米技术向超分子层面的跨越式发展。这种超分子组装策略利用氢键、静电力及疏水相互作用等非共价键合方式，显著增强了纳米结构的灵活性与响应性。这些系统能够动态地响应环境变化，并融入多种构建元素，构建出更加复杂、多功能且异质性的纳米结构（图3）。![]()
二、刺激响应RNA纳米结构
RNA已成为构建核酸纳米结构的重要基础，利用其复杂的三级结构，研究者们设计出响应性纳米结构，能够对多种刺激做出反应。这些结构不仅在生物过程中发挥基础作用，还能通过嵌入响应元件，调控生物功能。1. 刺激响应性荧光RNA纳米结构。配体结合引起的构象变化对于蛋白质的变构控制和细胞代谢物水平的调节至关重要。这一概念已被精巧地应用于RNA纳米结构的设计中，以开发基于RNA的传感器。这些RNA传感器的基本结构由两个关键组件组成：目标检测区和报告区。目标检测区通常识别特定的输入分子，并导致整个结构的构象变化，这种变化将信号传递到报告区，从而打开或关闭荧光信号。![]()
图4. 刺激响应性荧光RNA纳米结构
2. 基于纳米结构的响应性mRNA操作。在自然界中，mRNA在其非翻译区（UTR）内展现出复杂的二级结构，这对于基因表达的转录后调控至关重要。关键的mRNA组件，如核糖体结合位点（RBS）、内部核糖体进入位点（IRES）和多聚腺苷酸（PolyA）尾，可以通过定制序列进行工程化，从而使mRNA对特定触发因素更加敏感。本文系统总结了刺激响应性DNA和RNA纳米结构的最新进展及其应用。这些纳米结构通过不同组装策略构建，可响应多种触发因素。DNA纳米结构多样，RNA则具有丰富功能组件，二者及其组合在生物医学领域如诊断、生物传感、药物递送及免疫治疗等方面展现出广泛应用前景。让我们共同期待核酸纳米技术的未来，相信它将为我们带来更多的惊喜和突破。
颜颢，亚利桑那州州立大学生物设计研究院分子设计和仿生学中心主任，美国国家发明家科学院院士，美国科学促进会会士。颜颢教授是结构DNA纳米技术领域的著名科学家和先驱者之一，研究主要集中在利用DNA作为构建模块编程设计纳米结构，探索其在基础及技术领域中的应用。H-index为266，发表了相关方向学术论文250多篇，其中30余篇发表在Nature、Science及Nature子刊。撰写：张宏
审核：孙敏轩、刘萍萍
https://spj.science.org/doi/10.34133/bmef.0050
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BMEF (《生物医学工程前沿》)是中国科学院苏州生物医学工程技术研究所（SIBET CAS）与美国科学促进会（AAAS）/Science合作出版的开放获取国际学术期刊。期刊旨在为生物医学工程这一交叉学科提供一个高效的交流平台，以推动领域内的科学家、工程师和临床医学专家及时地交流，共同促进人类健康。期刊关注在致病机理研究和疾病预防、诊断、治疗及评估方面取得的突破性进展，包括概念、设备、材料、组织、过程和方法等。目前，BMEF已陆续被DOAJ、CNKI、INSPEC、PubMed Central、Scopus、ESCI、Ei Compendex等知名学术数据库收录。2023年，BMEF的影响因子（Journal Impact Factor）为5.0，在生物医学工程（Biomedical Engineering）领域期刊排名中位于Q1区。https://spj.science.org/journal/bmef/https://www.editorialmanager.com/bmef/
