|
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(fā)表DNA高分子水凝膠系統(tǒng)評述，并被遴選為當期封面。作者結(jié)合自身的研究工作，從DNA的分子結(jié)構特點出發(fā)，對DNA水凝膠的設計原則、制備方法、功能調(diào)控和應用發(fā)展等方面做了全面地介紹和評述，對DNA水凝膠發(fā)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(yōu)勢和不足，對DNA水凝膠領域存在的挑戰(zhàn)、潛在的解決方案和未來發(fā)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。
引言 水凝膠具有良好的生物相容性、可調(diào)節(jié)的生物降解性和可控的機械性能，在化學和生物醫(yī)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(fā)新型的應用型水凝膠。 DNA是生命系統(tǒng)的核心遺傳物質(zhì)，引導生物發(fā)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(diào)，結(jié)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(jié)構基元構筑的三維高分子網(wǎng)絡，近年來蓬勃發(fā)展。DNA水凝膠既利用了水凝膠的骨架結(jié)構，也保留了DNA的生物功能，實現(xiàn)了水凝膠材料結(jié)構與功能的完美融合，在生物傳感器、藥物遞送、細胞培養(yǎng)、蛋白質(zhì)合成、智能器件、環(huán)境保護等領域表現(xiàn)出廣泛的應用前景。 圖文導讀 一、DNA的化學結(jié)構及自組裝結(jié)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(jié)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(fā)生自組裝。 圖一、DNA的化學結(jié)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(jié)構是雙螺旋構型。 圖二、非雙螺旋DNA組裝體
除雙螺旋結(jié)構外，近年來發(fā)現(xiàn)的非雙螺旋構型如i-motif結(jié)構、三鏈體結(jié)構和G-四聯(lián)體結(jié)構等，在基因表達中具有重要的調(diào)控作用，且易于實現(xiàn)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(fā)雜交形成雙鏈結(jié)構，在水凝膠形成過程中，可實現(xiàn)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(yōu)勢。 圖三、DNA水凝膠的發(fā)展路線圖
根據(jù)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(wǎng)絡結(jié)構；2）合成的超長線性DNA纏繞形成三維網(wǎng)絡結(jié)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(wǎng)絡結(jié)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(jié)構的DNA，通過DNA鏈之間的勾連、纏結(jié)形成水凝膠網(wǎng)絡。常見的超長DNA合成方法包括由phi29 DNA聚合酶催化的滾環(huán)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(wǎng)絡骨架，而DNA則作為網(wǎng)絡交聯(lián)的功能單元，實現(xiàn)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(huán)結(jié)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(yōu)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(wěn)定性，因此DNA水凝膠通常表現(xiàn)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(xiàn)非入侵性原位給藥，這些特性在生物醫(yī)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(diào)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(huán)境。到目前為止，DNA水凝膠在傳感器、藥物遞送、蛋白質(zhì)生產(chǎn)、細胞培養(yǎng)、智能制造、環(huán)境保護等領域均表現(xiàn)出良好的應用潛質(zhì)。 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(wǎng)狀結(jié)構，便于離子滲透，可以實現(xiàn)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(jié)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(lián)反應可實現(xiàn)葡萄糖的檢測；在DNA聚合物雜化水凝膠中，DNA與靶標物的結(jié)合會破壞凝膠網(wǎng)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(xiàn)靶標核酸的靈敏檢測。 圖十二、蛋白質(zhì)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(huán)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(fā)光材料、酶等）包封其中，可實現(xiàn)對靶標物質(zhì)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(jié)合可實現(xiàn)高效包載，這一性質(zhì)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(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)材料結(jié)構與功能的完美結(jié)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(zhì)等分子實現(xiàn)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(zhì)藥物遞送中表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢。 圖十六、細胞培養(yǎng)
DNA水凝膠體系高含水量、三維網(wǎng)狀結(jié)構等特點與細胞外基質(zhì)十分相似，此外，DNA分子的剛性特點使DNA水凝膠網(wǎng)絡中的孔洞可達到幾十微米，便于營養(yǎng)物質(zhì)和代謝物質(zhì)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(tǒng)，使DNA可以不依賴完整細胞結(jié)構而行使其轉(zhuǎn)錄翻譯功能； DNA水凝膠的多孔結(jié)構便于其內(nèi)部與外部環(huán)境的物質(zhì)交換，為蛋白質(zhì)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(huán)擴增合成的DNA水凝膠具有奇特的固液轉(zhuǎn)換性質(zhì)，可用于設計刺激響應性電路開關。此外DNA水凝膠可現(xiàn)實生理條件下的離子交換，因此基于聚電解質(zhì)多層涂覆的DNA水凝膠可被開發(fā)用作超級電容器，具有優(yōu)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(xiàn)“軟體生物”的運動。 圖二十、人工代謝驅(qū)動的DNA水凝膠機器
將DNA水凝膠的合成與微流控技術結(jié)合，通過phi29 DNA聚合酶催化的DNA滾環(huán)擴增反應，通過能量耗散組裝可實現(xiàn)DNA水凝膠在微流控管道中的原位、自發(fā)、動態(tài)組裝。 圖二十一、環(huán)境保護
DNA水凝膠的多孔結(jié)構及其豐富的結(jié)合位點，賦予了其強大的吸附能力，使其能夠從環(huán)境中捕獲和積累過渡金屬離子和有機污染物。 小結(jié) DNA作為高分子材料的發(fā)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(jié)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(fā)。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(fā)展。
相關新聞
主辦單位：山東省化工情報信息協(xié)會
山東省濟南市文化東路80號郵編：250014電話：0531—86399950、86399980、86399990傳真：0531—86399186 山東化工網(wǎng)在線交流： Copyright(C)山東省化工情報信息協(xié)會 版權所有 備案號：魯ICP備2021036540號
|
魯公網(wǎng)安備 37010202001033號