Abstract Synthetic cells, like their biological counterparts, require internal compartments with distinct chemical and physical properties where different functionalities can be localised. Inspired by membrane-less compartmentalisation in biological cells, here we demonstrate how micro-phase separation can be used to engineer heterogeneous cell-like architectures with programmable morphology and compartment-targeted activity. The synthetic cells selfassemble from amphiphilic DNA nanostructures, producing core-shell condensates due to size-induced de-mixing. Lipid deposition and phase-selective etching are then used to generate a porous pseudo-membrane, a cytoplasm analogue, and membrane-less organelles. The synthetic cells can sustain RNA synthesis via in vitro transcription, leading to cytoplasm and pseudo-membrane expansion caused by an accumulation of the transcript. Our approach exemplifies how architectural and functional complexity can emerge from a limited number of distinct building blocks, if molecular-scale programmability, emergent biophysical phenomena, and biochemical activity are coupled to mimic those observed in live cells.

Abstract Condensation of RNA and proteins is central to cellular functions, and the ability to program it would be valuable in synthetic biology and synthetic cell science. Here we introduce a modular platform for engineering synthetic RNA condensates from tailor-made, branched RNA nanostructures that fold and assemble co-transcriptionally. Up to three orthogonal condensates can form simultaneously and selectively accumulate fluorophores through embedded fluorescent light-up aptamers. The RNA condensates can be expressed within synthetic cells to produce membrane-less organelles with a controlled number and relative size, and showing the ability to capture proteins using selective protein-binding aptamers. The affinity between otherwise orthogonal nanostructures can be modulated by introducing dedicated linker constructs, enabling the production of bi-phasic RNA condensates with a prescribed degree of interphase mixing and diverse morphologies. The in situ expression of programmable RNA condensates could underpin the spatial organization of functionalities in both biological and synthetic cells.

Abstract Condensation of RNA and proteins is central to cellular functions, and the ability to program it would be valuable in synthetic biology and synthetic cell science. Here we introduce a modular platform for engineering synthetic RNA condensates from tailor-made, branched RNA nanostructures that fold and assemble co-transcriptionally. Up to three orthogonal condensates can form simultaneously and selectively accumulate guest molecules. The RNA condensates can be expressed within synthetic cells to produce membrane-less organelles with controlled number, size, morphology and compositions, and that display the ability to selectively capture proteins. The in situ expression of programmable RNA condensates could underpin spatial organisation of functionalities in both biological and synthetic cells.

Recent discoveries in biology have highlighted the importance of protein and RNA-based condensates as an alternative to classical membrane-bound organelles for the task of compartmentalizing molecules and biochemical reactions. Here, we demonstrate the rational design of pure RNA condensates from star-shaped RNA motifs. We generate condensates using two different RNA nanostar architectures: multi-stranded nanostars whose binding interactions are programmed via single-stranded overhangs, and single-stranded nanostars whose interactions are programmed via kissing loops. Through rational design of the nanostar interaction sequences, we demonstrate that both architectures can produce orthogonal (distinct and immiscible) condensates, which can be individually tracked via fluorogenic aptamers. We also show that aptamers make it possible to recruit peptides and proteins to the condensates with high specificity. Successful cotranscriptional formation of condensates from single-stranded nanostars suggests that they may be genetically encoded and produced in living cells. We provide a library of orthogonal RNA condensates that can be modularly customized and offer a route toward creating systems of functional artificial organelles.