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“跨界明星”DNA 实力“圈粉”材料科学家

来源:科技日报2019-05-14 09:19

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  以DNA为基元,通过人为设计,从化学、工程等角度挖掘这一生命物质的应用潜力,已经被越来越多的研究者所关注。

  提及DNA(脱氧核糖核酸),我们首先想到的往往是遗传。诚然,在传统生物学中,DNA的主要功能是将遗传信息从亲代传递给子代,以保证生物体的某种特征延续性存在。

  但在一些材料学家的眼里,本质为核酸的DNA不再是神秘的生命密码,而是合成某种生物材料的最基本单元。这类生物材料因由DNA分子“搭建”而成,故称DNA材料。

  不得不承认,生物本身充满了未知,包括DNA材料在内的生物材料也存在无限可能。近日,来自美国康奈尔大学、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所(以下简称中科院纳米所)、上海交通大学医学院附属仁济医院(以下简称仁济医院)的研究人员合成了一种可以自主运动的DNA材料,其运动形式还可受人为调控。该项成果作为当期封面文章,发表在《科学·机器人》杂志上。

  空间移动肉眼可见 DNA成材料界“流量担当”

  DNA为双螺旋结构,每一个螺旋单位上“挂载”着碱基,造就了DNA的特异性。很多科学家就是基于此,挖掘出了它的组装能力,即通过DNA碱基互补配对,“长”成稳定、可设计的结构。

  “以DNA为基元,通过人为设计,从化学、工程等角度挖掘这一生命物质的应用潜力,已经被越来越多的研究者所关注。”上述文章的作者之一、中科院纳米所纳米—生物界面重点实验室副研究员甘明哲在接受科技日报记者采访时表示,DNA不再仅仅是一种纳米级的生物分子。

  作为目前热门的DNA拓展应用场景,“DNA材料的生物相容性非常好,在医学领域大有前景。DNA材料的另一大优势在于不同的核酸混合排列时,合成的材料性能千变万化,就像一座富矿,等待人们去探索。”在甘明哲看来,随着DNA合成技术及理论计算领域的不断进步,DNA材料俨然成了材料界的“流量明星”,吸引着越来越多的科研人员投身对其的研究开发中。

  除了通过改变DNA的空间排列等方法构建出多样的DNA材料以外,科学家们还在汲汲探索DNA材料这位“跨界明星”的其他非遗传特性。如今,研究人员合成了一种能够进行肉眼可见的“空间移动”DNA材料,这相比一般的刺激响应更接近生命的特性,研究人员称之为“类生命材料”。

  意外创造类生命材料 能像鱼儿一样“游动”

  很多促进人类科学进步的发现都源于一次意外,比如青霉素、X射线。

  与类生命材料的“邂逅”也是一个意外。甘明哲告诉记者,研究团队当时正利用超胶对病毒核酸进行检测。超胶是一种自然界中不存在的人工合成DNA材料,置于水中呈固态,脱离水后又呈现液态,研究人员本想挖掘它在生物检测方面的潜力。

  有意思的是,他们却兴奋地发现,微流体芯片里的超胶的生成方式出乎意料地发生了改变。

  如果把直径约100微米的头发丝缩小10倍,做成直径10微米的微型管道,“水若在该管道中流动便成了微流体,其特有的平行流动方式——层流,与常见的液体流动有显著区别,也就衍生出了特异的流场。”甘明哲说。

  “我们发现,该DNA材料的生成与微流体的层流特性呈现出一定的相关性。通过改变管道的流场参数,可以控制超胶在特定的空间位置合成;如果改变微流体中酶的浓度和种类,则可改变超胶的自主合成和分解的速度。”甘明哲表示,这就实现了对该材料合成的空间、时间两方面的人为调控。

  “新的物质不断生成,旧的物质不断被分解,这很像生物独有的新陈代谢。”在甘明哲看来,代谢是使生命存活的关键过程,在合成、分解代谢的平衡中维持了DNA材料的稳定存在与更新,这十分类似于生命的特征。“我们在实验室里重现了以这种类似生命新陈代谢的‘人工新陈代谢’方式制造DNA材料的过程。”

  更加有趣的是,作为一种DNA材料,它在微流体中相关酶的作用下,其“人工新陈代谢”总是在前端合成、后端分解,总体来看,这种长达几毫米的超胶就像水里的鱼一样发生了“游动”,且肉眼可辨。这条“鱼”还十分“顽强”,与科研人员预计的不同,其“运动”的方向并非“顺流而下”,而是与微流体的流动方向相反,即“逆流而上”。

  “正如人需要在有氧的空气环境中进行新陈代谢,这种类生命材料需要从微流系统中获得‘营养’,实现‘人工新陈代谢’,从而进行自主运动。”该文章通讯作者之一、美国康奈尔大学生物和环境工程学院教授罗丹表示。

  不用看细胞“脸色” 蛋白质合成的下一个“宝藏”

  当被问及这种类生命材料在现实生活中有何用处的时候,甘明哲表示:“这只是个开端,该材料目前可模拟生命的新陈代谢,未来或许能够展现出更多类似生命的特征,如生物独有的进化。”

  生物学中,DNA复制时可能产生突变,从而创造出进化的契机。“该材料同样拥有着这样的可能性。”甘明哲设想,也许在今后的研究中可能会出现环境自适应等特征,最终能够获得真正意义上定向进化的生物材料。

  或许进化更多的是靠运气,但有些方向却能靠科学家的“实力”去实现。在甘明哲看来,该类材料的无细胞蛋白合成能力是下一步可以着手开发的“宝藏”。

  蛋白质是很多药物、疫苗的基本成分,目前,蛋白质的合成通常由培养的细胞来完成,生产蛋白的种类、产量和质量严格受到细胞调控,也就是说,要把细胞“伺候好”。然而,在目前技术条件下,有相当数量的蛋白产不产、产多少完全看细胞“高不高兴”,如一些膜蛋白、毒性蛋白、代谢调节蛋白等。DNA材料本身就可以指导蛋白质的合成,即采用类生命材料可以越过细胞的限制,直接生产蛋白质。科研人员已经初步实践了这种方式,几毫米长的超胶在无细胞系统中生产出了大量的活性蛋白质。

  “该材料的生物检测能力也未来可期。”甘明哲说。

  与最开始的那次测量荧光强度的方法不同,“人工新陈代谢”能力驱动的类生命材料的自主运动能够在二维平面上实现材料图案的变化,且未来有望推广到三维结构变化。通过产生不同样式的图案,甚至是肉眼可见的形状变化来判定检测结果。“这将是未来便携化、精准化、智能化生物检测手段的一个探索方向。”甘明哲说。

  “我们的研究还处于雏形阶段,现阶段为创制新型DNA材料提供了一种研究方向,但我相信,这种类生命材料的未来将不可限量。”文章作者之一、仁济医院副研究员刘培峰说。(于紫月)

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