天津大學仰大勇教授課題組PPS：DNA水凝膠系統評述

成果簡介

近期，天津大學化工學院仰大勇教授研究團隊在高分子領域權威綜述期刊《Progress in Polymer Science》上發表DNA高分子水凝膠系統評述，并被遴選為當期封面。作者結合自身的研究工作，從DNA的分子結構特點出發，對DNA水凝膠的設計原則、制備方法、功能調控和應用發展等方面做了全面地介紹和評述，對DNA水凝膠發展中的標志性工作做了全面梳理，探討了在不同的應用場景中DNA水凝膠的優勢和不足，對DNA水凝膠領域存在的挑戰、潛在的解決方案和未來發展方向做了深入討論。天津大學化工學院李鳳副教授和碩士生唐建普為論文共同第一作者。

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引言

水凝膠具有良好的生物相容性、可調節的生物降解性和可控的機械性能，在化學和生物醫學工程領域具有重要的應用價值。隨著水凝膠領域研究的深入，更加精準的合成、更靈敏的刺激響應性以及更豐富的功能性，推動著研究人員開發新型的應用型水凝膠。

DNA是生命系統的核心遺傳物質，引導生物發育和生命機能運作。從材料化學角度，DNA是一種天然的生物高分子，具有合成高分子無法比擬的特點。例如：堿基互補配對特性使DNA具有精準、高效的自組裝能力；DNA序列多樣可調，結構精準可控，具有豐富的刺激響應性；自然進化賦予生物體豐富多樣的生物酶，可在分子水平對DNA進行精準操作；DNA具有良好的生物相容性和生物可降解性。因此，近年來科學家將DNA作為構筑基元合成多種DNA功能高分子材料。其中，DNA水凝膠是一類重要的DNA材料，是以DNA為結構基元構筑的三維高分子網絡，近年來蓬勃發展。DNA水凝膠既利用了水凝膠的骨架結構，也保留了DNA的生物功能，實現了水凝膠材料結構與功能的完美融合，在生物傳感器、藥物遞送、細胞培養、蛋白質合成、智能器件、環境保護等領域表現出廣泛的應用前景。

圖文導讀

一、DNA的化學結構及自組裝結構

DNA是一種嵌段共聚物和聚陰離子體。四種脫氧核苷酸作為它的結構單元，通常用堿基種類表示：胞嘧啶（C）、鳥嘌呤（G）、腺嘌呤（A）或胸腺嘧啶（T）。特定的核苷酸序列，可以催動DNA單鏈自身、單鏈與單鏈之間發生自組裝。

圖一、DNA的化學結構和雙螺旋模型

脫氧核苷酸由磷酸基團、脫氧核糖和堿基構成，核苷酸之間通過磷酸二酯鍵連接成鏈，最常見的DNA二級結構是雙螺旋構型。

圖二、非雙螺旋DNA組裝體

除雙螺旋結構外，近年來發現的非雙螺旋構型如i-motif結構、三鏈體結構和G-四聯體結構等，在基因表達中具有重要的調控作用，且易于實現多重刺激響應性。

二、DNA水凝膠的設計合成

互補的單鏈DNA可以在室溫下自發雜交形成雙鏈結構，在水凝膠形成過程中，可實現生物活性分子、藥物分子等的高效裝載。隨著DNA在材料領域研究的深入，DNA在構建功能性水凝膠方面展示出獨特的優勢。

圖三、DNA水凝膠的發展路線圖

根據構建DNA水凝膠的構筑單元，將其合成方法可分為三類：1）枝狀DNA自組裝成三維網絡結構；2）合成的超長線性DNA纏繞形成三維網絡結構；3）DNA與其他材料通過氫鍵、靜電等作用力形成復合三維網絡結構。

圖四、枝狀DNA自組裝制備水凝膠

枝狀DNA自組裝型水凝膠，是以枝狀DNA作為“模塊”構筑水凝膠骨架。首先利用DNA單鏈構建多種枝狀DNA，如X型、Y型、T型等，然后通過氫鍵作用、酶連、PCR擴增和雜交鏈式反應等方法合成DNA水凝膠。

圖五、線性超長DNA水凝膠

超長DNA水凝膠，通常是利用酶法合成具有超長結構的DNA，通過DNA鏈之間的勾連、纏結形成水凝膠網絡。常見的超長DNA合成方法包括由phi29 DNA聚合酶催化的滾環擴增反應和基于粘性末端的自組裝等。

圖六、DNA/聚合物雜化水凝膠

在DNA/聚合物雜化水凝膠中，通常以聚合物作為凝膠網絡骨架，而DNA則作為網絡交聯的功能單元，實現對pH、溫度、金屬離子等多重刺激的響應。

圖七、DNA/納米材料雜化水凝膠

在DNA/納米材料雜化水凝膠中，DNA作為聚陰離子聚合物帶有大量的負電荷，同時其堿基含有的芳香環結構和豐富的官能團，使DNA可通過靜電、氫鍵、π-π堆積范德華力等與碳點、石墨烯、介孔二氧化硅和銀納米團簇等納米材料雜化形成性能優異的多功能水凝膠。

三、DNA水凝膠的機械性能

DNA水凝膠主要通過氫鍵、靜電、金屬配體配位、主客體絡合等非共價相互作用維持其穩定性，因此DNA水凝膠通常表現出較弱的機械強度和良好的觸變性，可以通過針頭輕松注射、成膠速度快，便于實現非入侵性原位給藥，這些特性在生物醫學和生物工程中引起了廣泛的關注。

圖八、DNA水凝膠的機械性能

在枝狀DNA組裝的水凝膠的合成中，不同DNA構建基元的比例、互補粘性末端的長度會直接影響其機械性能；此外，通過在DNA水凝膠中引入其他材料可改善其機械性能。

四、DNA水凝膠的應用

通過合理設計DNA序列，DNA水凝膠可以獲得多種刺激響應性和可調的力學性能。此外，DNA分子中豐富的官能團為DNA水凝膠與其他材料的融合提供了條件，以滿足特殊的應用環境。到目前為止，DNA水凝膠在傳感器、藥物遞送、蛋白質生產、細胞培養、智能制造、環境保護等領域均表現出良好的應用潛質。

圖九、金屬離子的檢測

特定的DNA序列可以選擇性識別特定的金屬離子，加上水凝膠固有的多孔三維網狀結構，便于離子滲透，可以實現重金屬離子的快速、可視化檢測。

圖十、葡萄糖的檢測

良好的生物相容性，使DNA水凝膠可以極大程度地保護被包封生物分子的活性。例如DNA與血紅素結合，可將其與多種酶固定在水凝膠中，通過激活半乳糖苷酶/葡萄糖氧化酶/ DNA酶級聯反應可實現葡萄糖的檢測；在DNA聚合物雜化水凝膠中，DNA與靶標物的結合會破壞凝膠網絡，釋放的葡糖淀粉酶降解生成葡萄糖并被葡萄糖檢測儀讀取。

圖十一、核酸的檢測

在用于核酸檢測的凝膠體系中，DNA不僅作為凝膠骨架，還作為識別因子。所用的DNA中含有與靶標DNA互補的序列，基于精準的堿基互補配對原則，可實現靶標核酸的靈敏檢測。

圖十二、蛋白質及代謝小分子的檢測

對于DNA水凝膠，其良好的生物相容性和溫和的合成環境，極大地保障了所包封酶的活性。以DNA水凝膠為載體，將功能因子（發光材料、酶等）包封其中，可實現對靶標物質的特異性檢測。

圖十三、化療藥物的遞送

DNA是天然的化療藥物載體，化療藥物通過與DNA結合可實現高效包載，這一性質推動了DNA水凝膠在藥物遞送領域的研究和應用，此外DNA靈敏、迅速的多重刺激響應性使DNA水凝膠可實現化療藥物的靶向遞送和可控釋放。

圖十四、核酸藥物的遞送

與傳統的化療相比，基因治療和免疫治療作為新興的治療手段，具有精準的靶向性和較低的毒副作用。將治療性核酸嵌入DNA水凝膠體系中，可以實現材料結構與功能的完美結合。

圖十五、生物活性分子的遞送

DNA豐富的官能團使其易于進行化學修飾，進而與蛋白質等分子實現共價連接，此外特定的DNA序列可以作為適配體捕獲生物分子，這些特點使DNA水凝膠在蛋白質藥物遞送中表現出獨特的優勢。

圖十六、細胞培養

DNA水凝膠體系高含水量、三維網狀結構等特點與細胞外基質十分相似，此外，DNA分子的剛性特點使DNA水凝膠網絡中的孔洞可達到幾十微米，便于營養物質和代謝物質的交換，因此被用于細胞工程。

圖十七、無細胞蛋白合成

無細胞蛋白合成系統，使DNA可以不依賴完整細胞結構而行使其轉錄翻譯功能； DNA水凝膠的多孔結構便于其內部與外部環境的物質交換，為蛋白質的體外合成提供了一個強大的平臺。

圖十八、智能制造

由滾環擴增合成的DNA水凝膠具有奇特的固液轉換性質，可用于設計刺激響應性電路開關。此外DNA水凝膠可現實生理條件下的離子交換，因此基于聚電解質多層涂覆的DNA水凝膠可被開發用作超級電容器，具有優異的充放電性能，可用作植入性電子器件。

圖十九、智能的DNA/聚丙烯酰胺水凝膠

精準的堿基互補配對，使我們可以控制毫米級，甚至微米級、納米級的DNA水凝膠的行為。在DNA/聚丙烯酰胺水凝膠中，通過DNA的雜交鏈式反應（hybridization chain reaction，HCR）可以巧妙地控制水凝膠的彎曲、膨脹，實現“軟體生物”的運動。

圖二十、人工代謝驅動的DNA水凝膠機器

將DNA水凝膠的合成與微流控技術結合，通過phi29 DNA聚合酶催化的DNA滾環擴增反應，通過能量耗散組裝可實現DNA水凝膠在微流控管道中的原位、自發、動態組裝。

圖二十一、環境保護

DNA水凝膠的多孔結構及其豐富的結合位點，賦予了其強大的吸附能力，使其能夠從環境中捕獲和積累過渡金屬離子和有機污染物。

小結

DNA作為高分子材料的發展方興未艾，基于DNA分子本身的特點，一方面在精準化學和精準合成方面施展拳腳，另一方面，更多具有出人意料的結構或功能的新材料可望不斷被合成出來，更多激動人心的應用也亟待開發。本綜述文章期望推動更多高分子專家和材料學家認識、認可并介入這一領域，共同努力推動DNA高分子材料的發展。

文獻鏈接：

https://doi.org/10.1016/j.progpolymsci.2019.101163

團隊介紹

仰大勇 博士，天津大學化工學院教授、院長助理，入選國家級海外人才計劃、國家優青、天津市杰青。現任天津大學校學術委員會委員、中國生物醫學工程學會納米醫學與工程分會委員。課題組研究方向是材料化學與生物醫學的交叉領域，聚焦DNA合成與智能制造，利用材料化學的手段理解生命系統運行機制，探索重大疾病的診斷治療新途徑。

課題組主頁：http://yanglab-dna.com/

本文由天津大學仰大勇教授團隊供稿。

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