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【科技日报】“跨界明星”DNA 实力“圈粉”材料科学家
2019-05-14| 文章来源:科技日报 于紫月| 【

  以DNA爲基元,通過人爲設計,從化學、工程等角度挖掘這一生命物質的應用潛力,已經被越來越多的研究者所關注。 

  提及DNA(脫氧核糖核酸),我們首先想到的往往是遺傳。誠然,在傳統生物學中,DNA的主要功能是將遺傳信息從親代傳遞給子代,以保證生物體的某種特征延續性存在。

  但在一些材料學家的眼裏,本質爲核酸的DNA不再是神秘的生命密碼,而是合成某種生物材料的最基本單元。這類生物材料因由DNA分子“搭建”而成,故稱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、中國科學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。

  空間移動肉眼可見 DNA成材料界“流量擔當” 

  DNA爲雙螺旋結構,每一個螺旋單位上“挂載”著堿基,造就了DNA的特異性。很多科學家就是基于此,挖掘出了它的組裝能力,即通過DNA堿基互補配對,“長”成穩定、可設計的結構。

  “以DNA爲基元,通過人爲設計,從化學、工程等角度挖掘這一生命物質的應用潛力,已經被越來越多的研究者所關注。”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員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。

  作爲目前熱門的DNA拓展應用場景,“DNA材料的生物相容性非常好,在醫學領域大有前景。DNA材料的另一大優勢在于不同的核酸混合排列時,合成的材料性能千變萬化,就像一座富礦,等待人們去探索。”在甘明哲看來,隨著DNA合成技術及理論計算領域的不斷進步,DNA材料俨然成了材料界的“流量明星”,吸引著越來越多的科研人員投身對其的研究開發中。

  除了通過改變DNA的空間排列等方法構建出多樣的DNA材料以外,科學家們還在汲汲探索DNA材料這位“跨界明星”的其他非遺傳特性。如今,研究人員合成了一種能夠進行肉眼可見的“空間移動”DNA材料,這相比一般的刺激響應更接近生命的特性,研究人員稱之爲“類生命材料”。

  意外創造類生命材料 能像魚兒一樣“遊動” 

  很多促進人類科學進步的發現都源于一次意外,比如青黴素、X射線。

  與類生命材料的“邂逅”也是一個意外。甘明哲告訴記者,研究團隊當時正利用超膠對病毒核酸進行檢測。超膠是一種自然界中不存在的人工合成DNA材料,置于水中呈固態,脫離水後又呈現液態,研究人員本想挖掘它在生物檢測方面的潛力。

  有意思的是,他們卻興奮地發現,微流體芯片裏的超膠的生成方式出乎意料地發生了改變。

  如果把直徑約100微米的頭發絲縮小10倍,做成直徑10微米的微型管道,“水若在該管道中流動便成了微流體,其特有的平行流動方式——層流,與常見的液體流動有顯著區別,也就衍生出了特異的流場。”甘明哲說。

  “我們發現,該DNA材料的生成與微流體的層流特性呈現出一定的相關性。通過改變管道的流場參數,可以控制超膠在特定的空間位置合成;如果改變微流體中酶的濃度和種類,則可改變超膠的自主合成和分解的速度。”甘明哲表示,這就實現了對該材料合成的空間、時間兩方面的人爲調控。

  “新的物質不斷生成,舊的物質不斷被分解,這很像生物獨有的新陳代謝。”在甘明哲看來,代謝是使生命存活的關鍵過程,在合成、分解代謝的平衡中維持了DNA材料的穩定存在與更新,這十分類似于生命的特征。“我們在實驗室裏重現了以這種類似生命新陳代謝的‘人工新陳代謝’方式制造DNA材料的過程。”

  更加有趣的是,作爲一種DNA材料,它在微流體中相關酶的作用下,其“人工新陳代謝”總是在前端合成、後端分解,總體來看,這種長達幾毫米的超膠就像水裏的魚一樣發生了“遊動”,且肉眼可辨。這條“魚”還十分“頑強”,與科研人員預計的不同,其“運動”的方向並非“順流而下”,而是與微流體的流動方向相反,即“逆流而上”。

  “正如人需要在有氧的空氣環境中進行新陳代謝,這種類生命材料需要從微流系統中獲得‘營養’,實現‘人工新陳代謝’,從而進行自主運動。”該文章通訊作者之一、美國康奈爾大學生物和環境工程學院教授羅丹表示。

  不用看細胞“臉色” 蛋白質合成的下一個“寶藏” 

  當被問及這種類生命材料在現實生活中有何用處的時候,甘明哲表示:“這只是個開端,該材料目前可模擬生命的新陳代謝,未來或許能夠展現出更多類似生命的特征,如生物獨有的進化。”

  生物學中,DNA複制時可能産生突變,從而創造出進化的契機。“該材料同樣擁有著這樣的可能性。”甘明哲設想,也許在今後的研究中可能會出現環境自適應等特征,最終能夠獲得真正意義上定向進化的生物材料。

  或許進化更多的是靠運氣,但有些方向卻能靠科學家的“實力”去實現。在甘明哲看來,該類材料的無細胞蛋白合成能力是下一步可以著手開發的“寶藏”。

  蛋白質是很多藥物、疫苗的基本成分,目前,蛋白質的合成通常由培養的細胞來完成,生産蛋白的種類、産量和質量嚴格受到細胞調控,也就是說,要把細胞“伺候好”。然而,在目前技術條件下,有相當數量的蛋白産不産、産多少完全看細胞“高不高興”,如一些膜蛋白、毒性蛋白、代謝調節蛋白等。DNA材料本身就可以指導蛋白質的合成,即采用類生命材料可以越過細胞的限制,直接生産蛋白質。科研人員已經初步實踐了這種方式,幾毫米長的超膠在無細胞系統中生産出了大量的活性蛋白質。

  “該材料的生物檢測能力也未來可期。”甘明哲說。

  與最開始的那次測量熒光強度的方法不同,“人工新陳代謝”能力驅動的類生命材料的自主運動能夠在二維平面上實現材料圖案的變化,且未來有望推廣到三維結構變化。通過産生不同樣式的圖案,甚至是肉眼可見的形狀變化來判定檢測結果。“這將是未來便攜化、精准化、智能化生物檢測手段的一個探索方向。”甘明哲說。

  “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、仁济医院副研究員刘培峰说。

 《科技日报》 (2019-5-14 第8版 生物科技)
 
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