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  近期，Nature Protocols發(fā)表了天津大學(xué)化工學(xué)院仰大勇教授團(tuán)隊(duì)在DNA生物功能材料領(lǐng)域的最新進(jìn)展。論文系統(tǒng)報(bào)道了基于酶促滾環(huán)擴(kuò)增反應(yīng)合成DNA水凝膠的分子基礎(chǔ)、合成策略、功能調(diào)控和生物應(yīng)用。該方法構(gòu)建了具有獨(dú)特物理化學(xué)性質(zhì)和多種生物功能的DNA水凝膠，為細(xì)胞分離、細(xì)胞遞送和疾病治療提供了重要的材料化學(xué)基礎(chǔ)。

  面向生命健康的重大需求，研究結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)可控和生物活性可調(diào)的生物材料，是生物醫(yī)用材料發(fā)展的關(guān)鍵和國際前沿領(lǐng)域。生命系統(tǒng)中小分子、大分子和細(xì)胞等關(guān)鍵功能物質(zhì)的創(chuàng)造，涉及精準(zhǔn)、高效、溫和的生物酶高效催化、生物分子高效組裝等過程。DNA作為生命系統(tǒng)的遺傳分子，可精準(zhǔn)調(diào)控生命活動(dòng)。從材料化學(xué)角度，DNA作為天然的生物大分子，具有序列可編程性和序列信息精準(zhǔn)傳遞的特點(diǎn)，具有功能和生物活性可定制的獨(dú)特優(yōu)勢�；谶@些性質(zhì)，DNA可以作為一種材料構(gòu)建基元，用于精準(zhǔn)創(chuàng)制多種功能材料。近年來，DNA水凝膠在組織工程、疾病治療、蛋白質(zhì)工程和軟體機(jī)器人等領(lǐng)域嶄露頭角，被認(rèn)為是一種極具應(yīng)用前景的重要生物醫(yī)用材料。DNA水凝膠中DNA分子既作為水凝膠骨架結(jié)構(gòu)，亦承載了DNA的生物功能，可實(shí)現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)與生物功能的完美融合。

  仰大勇教授團(tuán)隊(duì)在DNA生物功能材料領(lǐng)域開展了系統(tǒng)的研究，本文在這些研究的基礎(chǔ)上總結(jié)了基于酶促滾環(huán)擴(kuò)增（RCA）的DNA水凝膠功能材料化學(xué)系統(tǒng)。RCA是一種條件溫和、高效的生化反應(yīng)，以等溫酶促擴(kuò)增的方式合成超長DNA單鏈，在復(fù)雜的生物環(huán)境中具有穩(wěn)定的合成效率。RCA僅需要少量的環(huán)狀DNA模板，在phi29 DNA聚合酶的作用下，催化DNA鏈延伸和鏈置換，實(shí)現(xiàn)對DNA模板互補(bǔ)鏈進(jìn)行百倍級(jí)別的擴(kuò)增�；谶@一生化反應(yīng)，超長DNA單鏈可通過鏈間纏結(jié)、多級(jí)引物擴(kuò)增、鏈間雜交以及DNA鏈與功能基元雜化等四種交聯(lián)策略，形成三維水凝膠網(wǎng)絡(luò)。首先利用RCA反應(yīng)生成超長DNA單鏈，通過鏈間纏結(jié)作用，構(gòu)建了純物理交聯(lián)的DNA水凝膠。之后通過控制反應(yīng)時(shí)間順序的策略，實(shí)現(xiàn)了多引物擴(kuò)增，即先進(jìn)行初級(jí)RCA反應(yīng)產(chǎn)生超長DNA單鏈，然后以初級(jí)RCA產(chǎn)物為模板進(jìn)行多級(jí)反應(yīng)。在此基礎(chǔ)上，發(fā)展了基于RCA產(chǎn)物DNA鏈間雜交的物理交聯(lián)DNA水凝膠，實(shí)現(xiàn)了骨髓間充質(zhì)干細(xì)胞的特異性高效捕獲、三維包封和酶促可控?zé)o損釋放。進(jìn)一步，通過引入納米功能基元，利用DNA鏈與功能基元的雜化構(gòu)建了DNA雜合水凝膠。通過調(diào)變功能基元，雜合DNA水凝膠展現(xiàn)出獨(dú)特的光學(xué)、磁學(xué)等性質(zhì)�；谶@一合成策略，制備了具有超軟超彈性和磁性的雜合DNA水凝膠，實(shí)現(xiàn)了受限空間內(nèi)活細(xì)胞的無損遞送。

圖1. 基于酶促滾環(huán)擴(kuò)增反應(yīng)的DNA水凝膠制備策略示意圖

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41596-021-00621-2

  仰大勇課題組以生物大分子DNA為研究主線，聚焦DNA生物功能材料化學(xué)組裝與智能制造，并用于生命分析和疾病治療。課題組主頁：http://yanglab-dna.com/