Nat. Commun. | PyFuRNAce: 面向 RNA 折纸构建的全流程集成设计平台

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RNA 设计在医学与生物技术中展现出巨大潜力，但缺乏易用且系统化的设计工具限制了 RNA 纳米技术的发展。研究人员开发了 PyFuRNAce，一个开源的 Python 平台，内含图形化界面，可实现从结构模块定义、蓝图构建、序列生成到引物设计的全流程整合。该工具基于模块化策略，支持实时 3D 可视化、多链设计和可扩展的 RNA 模体库。研究人员利用 PyFuRNAce 设计并实验验证了三类不同的 RNA 纳米结构，包括 RNA 纤维、RNA 液滴以及目前最大（2501 nt）的协同转录折叠 RNA 折纸结构。实验表明 PyFuRNAce 可大幅降低 RNA 折纸的设计门槛，加速相关结构在生物医学与合成生物学中的应用。

RNA 不仅是遗传信息的中介，其可折叠成复杂结构的能力使其具备多样化的功能。RNA 纳米技术在过去二十年快速发展，但较 DNA 纳米技术仍显落后。原因包括：RNA 的折叠复杂性更高、可预测性较弱、实验结构数量远少于蛋白、RNA 设计工具稀缺等。

相比之下，DNA origami 的兴起基于成熟的软件工具，而 RNA 折纸现有设计流程仍依赖多个独立步骤与命令行工具，难以普及。研究人员指出，RNA 纳米结构未来在药物递送、免疫调节、合成细胞构建等领域具有巨大潜力，因此一个可视化、可扩展、整合化的设计平台至关重要。

方法

研究人员开发 PyFuRNAce，整合 RNA 折纸设计的全部步骤：结构模体选取、蓝图构建、实时 3D 生成、逆向折叠序列设计、序列转换、引物生成以及 oxRNA 模拟文件准备等。平台提供图形化界面和 Python 脚本接口，用户可通过可视化方式构建结构，或通过脚本实现批量化、自动化设计。

图1 ：PyFuRNAce 的整体流程与功能模块

结果

PyFuRNAce 的核心设计框架

PyFuRNAce 将 RNA 折纸的复杂流程整合为四大模块：

• Design：模体选择、蓝图布局、实时 3D 查看；
• Generate：逆折叠序列生成与结构评分；
• Convert：RNA→DNA 模板转换；
• Prepare：引物设计与 oxRNA 模拟准备。

其优势包括：可扩展的模体库、实时 3D 可视化、多链结构支持、图形界面与 Python 双接口，并内置经典 RNA 设计模体，如茎、四碱基环、吻合环等。

图2 ：PyFuRNAce 图形界面示例

模体库与自定义能力

研究人员提供了丰富的模体库，包含功能性适配体、结构元素与相互作用模块。用户可通过图形界面或脚本添加新的模体，实现完全定制。

此外，PyFuRNAce 内置 结构转换器，可将 dot-bracket 表示的 RNA 二级结构一键转换为可编辑蓝图，大幅降低设计门槛。

图3：核心模体、蓝图与 3D 结构示例

序列生成、模板转换与模拟支持

PyFuRNAce 将蓝图转化为逆折叠算法的约束，随后调用序列生成器（基于 Revolvr）寻找匹配目标二级结构的 RNA 序列，并使用 ViennaRNA 进行热力学评估。

Convert 模块将 RNA 序列转为 DNA 模板，并输出相关的序列性质、二聚体预测等。Prepare 模块可自动生成引物、准备 oxRNA 模拟文件，使后续实验环节更为顺畅。

图4：PyFuRNAce 模体库展示与自定义流程

实验验证：三类 RNA 纳米结构

• RNA 纤维结构

研究人员通过默认的结构生成器构建双层 RNA 折纸，并设计其通过吻合环形成线性聚合。AFM 结果验证了高度一致的结构构象，表明 RNA 的柔性可弥补设计中某些几何偏差。

• 史上最大 2501 nt 协同转录折叠 RNA 折纸

研究人员设计了 10 个平行双螺旋构成的大型矩形折纸，并嵌入 Broccoli 适配体以监测折叠过程。实验显示折叠效率超过 80%，远高于先前大型 RNA 折纸的折叠成功率，标志着 PyFuRNAce 在大型 RNA 结构设计中的突破性进展。

• RNA 液滴结构（RNA condensate）

研究人员利用 PyFuRNAce 设计 Y 型 RNA 模体，通过吻合环驱动 RNA 相分离，形成可视化的 RNA 液滴结构。荧光显微与共聚焦成像均证实结构能正常形成液滴，展示平台对不同功能结构的适配性。

图5 ：三类 RNA 纳米结构的实验验证图（纤维、矩形折纸、RNA 液滴）

讨论

RNA 折纸方法在纳米医学、合成生物学和生物传感等领域具有广阔应用前景，但此前缺乏整合化工具使其难以普及。PyFuRNAce 的贡献包括：

• 全图形化、模块化与可视化界面

研究人员不再需要在多个软件之间切换，大幅降低设计门槛。

• 可扩展模体体系

可快速集成适配体、酶性 RNA 等新发现的结构模块，强化功能 RNA 的工程能力。

• 脚本化设计能力

适用于批量生成、参数扫描与大规模结构设计，满足高级用户需求。

实验验证显示 PyFuRNAce 能够设计从简单结构到迄今最大规模 RNA 折纸的全范围结构，并确保良好折叠率。尽管仍在优化伪结设计、复杂链互作等方面，但其现有能力已显著推动 RNA 纳米技术走向成熟。

PyFuRNAce 使 RNA 折纸更易用、更可靠、更灵活，将促进更多研究人员进入该领域，并推动 RNA 纳米结构在生命科学与医学中的实际应用。

整理 | DrugOne团队

参考资料

Monari, L., Braun, I., Verstraeten, W. et al. PyFuRNAce: an integrated design engine for RNA origami. Nat Commun (2025).

https://doi.org/10.1038/s41467-025-66290-x

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