在细菌中表达纳米工程化的RNA细胞器

简单细胞内的微型工厂

即便是最朴素的细菌也进行着惊人的数量的化学反应。科学家们现在学会在这些细胞内添加新的、人工的“工作站”——类似液滴的小型隔间，能够富集特定分子。本文展示了如何用RNA（一种通常承载遗传信息的分子）构建此类隔间，并在活细菌内按需使其出现、消失并捕获蛋白质。

无膜的液滴

许多细胞通过无膜细胞器来组织其化学反应——由蛋白质和核酸形成的液滴通过相分离产生，有点像油滴在水中。曾经认为细菌太简单，不会具有这样的内部结构，但现在已发现它们也使用类似的液滴来控制DNA复制、应对压力等过程。研究者希望设计人工版本的这些隔间以引导代谢、组装有用产物或研究天然液滴的工作机制。现有的合成系统常依赖无序蛋白，这类蛋白的黏性相互作用难以预测和工程化。

用可编程的RNA形状构建

作者转而采用RNA纳米技术，利用核酸可预测的碱基配对规则。他们设计了“纳米星”：四臂RNA结点，其末端带有可与其他纳米星匹配配对的短环。两种设计，称为A和B，各自具有自互补的环，因此同类型纳米星相互吸引并凝聚成液滴。扰乱配对的“打乱”版本则缺乏这种互补性，应保持溶解状态。团队将这些纳米星的遗传蓝图插入大肠杆菌（E. coli），并用荧光RNA标签使这些结构能在显微镜下被观察到。

活细菌内的设计液滴

当表达A或B纳米星时，细菌细胞内出现了明亮的液滴，主要集中在极区。对荧光分布和时序电影的分析显示，大多数细胞含有两到三个可以融合和重新生长的液滴，表现出类似微小液体的行为。相比之下，打乱配对的设计只产生弥散的荧光，只有偶尔出现弱的聚集，证实了特异碱基配对驱动了液滴形成。尽管天然的RNA切割酶修剪掉了部分纳米星臂，但仍有足够的四臂和三臂结构存在以维持稳健的凝聚，突显出该设计的鲁棒性。

多类型液滴与蛋白捕获

由于A和B纳米星仅识别同类，工程化成同时产生两者的细胞在同一菌体内形成了两种互不混合的液滴类型。这些液滴在空间上大多保持分离，常常位于细胞的两端。作者随后加入了一个新功能：在纳米星A中放入一个能结合绿色荧光蛋白（GFP）的短RNA适配体。当细菌同时产生改造后的纳米星和GFP时，该蛋白被强烈富集在液滴内；而在没有适配体的对照细胞中，GFP则分布均匀。荧光漂白后恢复（FRAP）测量显示，GFP和纳米星仍然与周围细胞质交换，进一步与液体状态一致。

用温度开关控制液滴

由于纳米星通过碱基配对相互结合，温度提供了一个简单的控制手段。轻微加热细菌会使液滴在碱基对熔解时溶解；冷却则使它们在常见的极区位置重新出现。精确的“熔解”温度取决于纳米星的设计以及酶促修剪的程度，但这一过程在许多细胞中是可逆的。当含有捕获GFP的液滴被更强烈加热时，RNA和蛋白都会在细胞内扩散；冷却后，液滴重新形成并再次富集该蛋白，表明货物可以通过简单的热循环释放并重获封存。

对未来细胞工程的意义

通俗地说，研究者在细菌内部构建了可编程的RNA“弹出房间”——这些房间可以被复制、分开保存、填充选定的工具，并按需折叠收起。由于底层相互作用简单且可设计，这些合成细胞器为引导代谢通路、隔离毒性中间体或探究天然液滴如何调控生命化学提供了一种灵活途径。该工作表明，纳米工程化的RNA凝聚体有望成为下一代微生物工厂的核心组件及改造细胞行为的强大工具。

引用: Ng, B., Fan, C., Dordevic, M. et al. Expression of nano-engineered RNA organelles in bacteria. Nat Commun 17, 2752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69336-w

关键词: 合成细胞器, RNA纳米技术, 生物分子相分离凝聚体, 细菌细胞工程, 代谢工程