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  近期，Nature Protocols發(fā)表了天津大學化工學院仰大勇教授團隊在DNA生物功能材料領域的最新進展。論文系統(tǒng)報道了基于酶促滾環(huán)擴增反應合成DNA水凝膠的分子基礎、合成策略、功能調(diào)控和生物應用。該方法構建了具有獨特物理化學性質(zhì)和多種生物功能的DNA水凝膠，為細胞分離、細胞遞送和疾病治療提供了重要的材料化學基礎。

  面向生命健康的重大需求，研究結構精準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)展的關鍵和國際前沿領域。生命系統(tǒng)中小分子、大分子和細胞等關鍵功能物質(zhì)的創(chuàng)造，涉及精準、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，可精準調(diào)控生命活動。從材料化學角度，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傳遞的特點，具有功能和生物活性可定制的獨特優(yōu)勢。基于這些性質(zhì)，DNA可以作為一種材料構建基元，用于精準創(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)工程和軟體機器人等領域嶄露頭角，被認為是一種極具應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構，亦承載了DNA的生物功能，可實現(xiàn)分子結構與生物功能的完美融合。

  仰大勇教授團隊在DNA生物功能材料領域開展了系統(tǒng)的研究，本文在這些研究的基礎上總結了基于酶促滾環(huán)擴增（RCA）的DNA水凝膠功能材料化學系統(tǒng)。RCA是一種條件溫和、高效的生化反應，以等溫酶促擴增的方式合成超長DNA單鏈，在復雜的生物環(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，實現(xiàn)對DNA模板互補鏈進行百倍級別的擴增。基于這一生化反應，超長DNA單鏈可通過鏈間纏結、多級引物擴增、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。首先利用RCA反應生成超長DNA單鏈，通過鏈間纏結作用，構建了純物理交聯(lián)的DNA水凝膠。之后通過控制反應時間順序的策略，實現(xiàn)了多引物擴增，即先進行初級RCA反應產(chǎn)生超長DNA單鏈，然后以初級RCA產(chǎn)物為模板進行多級反應。在此基礎上，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，實現(xiàn)了骨髓間充質(zhì)干細胞的特異性高效捕獲、三維包封和酶促可控無損釋放。進一步，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)出獨特的光學、磁學等性質(zhì)。基于這一合成策略，制備了具有超軟超彈性和磁性的雜合DNA水凝膠，實現(xiàn)了受限空間內(nèi)活細胞的無損遞送。

圖1. 基于酶促滾環(huán)擴增反應的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/