分子与核糖开关的结合会改变其控制区域（橙色）。版权：Carlos Clarivan/SPL几十年来，RNA被视为细胞分子中被忽视的“中间孩子”。DNA被誉为生命的蓝图，蛋白质则执行细胞的工作，而RNA则在信息传递中担任支持角色，将基因组的指令传递给细胞的蛋白质生产机制。这种观点已经转变，自1990年代以来的研究显示，RNA的行为远比以前认知的要更为活跃和非常规。“它就像生物学的一匹黑马，做了很多事情，”加州大学洛杉矶分校的生物工程师埃莉萨·弗兰科说。自然指数2026纳米科学与纳米技术生物学家们发现RNA具有催化功能，这种功能与酶相似，或者能够紧密结合特定的靶分子，这是开发安全有效药物的重要考虑因素。研究人员正在学习如何折叠RNA成复杂的三维结构，使其能作为分子相互作用或生物任务的支架。弗兰科表示，RNA的多功能性为这一领域注入了动力。“有很多RNA，没人知道它实际上做什么。”这种多功能性，加上其代码的简单性——仅由四种核苷酸（腺嘌呤（A）、尿嘧啶（U）、胞嘧啶（C）和鸟嘌呤（G））构成——使得RNA在生物工具中变得非常适应。它不仅能够携带遗传信息，还能够执行通常由蛋白质完成的功能，使其对那些寻求操控活细胞行为以进行治疗或生物技术应用的研究人员特别具吸引力，来自新泽西州罗格斯大学纽瓦克分校的化学家张飞说。在纳米技术的进步支持下，这些特性正在被利用来构建新一代的分子工具和技术。从简单的基因“开关”，让科学家能够调整细胞行为，到更复杂的结构，可能为制造药物和其他有用材料的小型生产线提供支撑，人们对基于RNA的纳米设备的潜力感到愈加兴奋。然而，关于RNA在活细胞内行为的知识缺口仍然很大，必须在RNA建构师能够可靠地将他们的设计转化为工作技术之前解决。一个意想不到的开关要理解RNA的多功能性，首先要了解它在分子水平上的行为。为生成一种蛋白质，细胞首先将其DNA复制到信使RNA（mRNA）中，后者携带遗传指令到细胞的蛋白质制造机制。尽管mRNA经常被描绘为一条简单的线性字母串，但它的核苷酸可以以特定的方式相互配对（例如，A与U，C与G），这使得RNA能够在不同部分粘合时自我折叠。这创建了像环和茎这样的“二级结构”，这些结构可以提供蛋白质的结合位点，并影响细胞如何读取RNA以构建蛋白质。在某些情况下，这些形状还允许RNA执行更复杂的任务。其中一个例子是“核糖开关”——一种基于mRNA的结构，像一个分子开关，能够与特定靶标结合，然后开启或关闭蛋白质的生产。研究人员正在探索将这些开关工程化为紧凑的控制模块，以精确调节单个基因的活性。核糖体（蓝色）附着在mRNA链上，以读取其代码并构建蛋白质（绿色）。版权：Elena Kiseleva/SPL然而，有一个很大的复杂因素：大多数天然存在的核糖开关是由代谢物触发的——这些小分子是在细胞内的常规化学过程中产生或使用的——这意味着它们可能难以控制。为了绕过这个问题，研究人员正在筛选大量RNA序列，以识别和工程出能够对具有可靠安全记录的现有药物做出可预测反应的开关。在2025年，由德国康斯坦茨大学的化学家约尔格·哈提格领导的一个团队展示了一种改良的核糖开关，在响应临床批准的痛风治疗药物别嘌醇时，可使一种靶基因在哺乳动物细胞中的表达增加多达100倍。他表示，他的实验室正在开发的新型开关可以将基因表达提升到多达1000倍。在原理上，这些开关可以嵌入基因治疗中，并通过已有的方法（如病毒载体或脂质纳米粒子）传递到患者的细胞内。进入细胞后，它们可以通过广泛可用的药物在实时中控制，允许基因活动像调光开关一样调节。拥有代谢缺陷的患者可能会接受一种基因治疗，恢复缺失代谢物的生产，但持续开启该基因24/7可能会导致毒性过度的风险。