微流控高分子《AFM》快速光控驱动单分散的DNA微凝胶

【科研摘要】

类似于生物组织的适应性分层软材料的组装需要控制尺寸的响应式构建块。尽管 DNA自组装为纳米级建筑控制提供了出色的工具，但响应性DNA的微结构仍然稀缺。 最近， 法国蒙彼利埃大学 Rémi Merindol 博士 在《先进功能材料》上发表了题为 Fast and Ample Light Controlled Actuation of Monodisperse All‐DNA Microgels 的论文 ， 他们 解决了两个挑战，即控制DNA微结构的大小以及如何将它们嵌入快速而充足的结构响应中。为了控制尺寸，将阻滞相分离和微流 控 限制相结合以产生单分散的全DNA颗粒。为了提高响应速度，实现了由偶氮苯阳离子表面活性剂驱动的微凝胶DNA网络的光控线圈-球过渡。 偶氮苯部分的光诱导反式异构化会降低其对DNA的亲和力，从而导致快速，大幅度的微凝胶膨胀。 最后，光响应性微凝胶超结 构的组装被证明是概念验证的分层全 DNA材料。

【图文解析】

单分散全DNA微凝胶的组装

如前所述，全 DNA微凝胶是由长单链DNA（ssDNA）的阻滞相分离产生的，该单相DNA是在存在二价抗衡离子的情况下，用φ29聚合酶通过环化模板的滚环扩增（RCA）获得的。在这里使用的模板包括：i）20个碱基长的高腺嘌呤运行，在存在镁或钙抗衡离子的情况下，在高温下促进相分离；ii）自互补（回文）域，在冷却时会形成双链体，因此将富含DNA的相稳定成软凝胶，并且iii）识别（条形码）域保持单链，并充当可寻址锚，可使用荧光寡核苷酸标记。总体上，如先前所观察到的，由于不受控制的聚结和加热时形成的富含DNA的液滴 的熟化，阻滞的相分离产生了多分散的微凝胶。因此，作者开发了一种使用基于液滴的微流控形成单分散全 DNA微凝胶的程序（图1a）。表面活性剂稳定的单分散油包水液滴直径为DDrop = 35 µm，它包裹着长ssDNA和钙离子（50 mm CaCl 2 ）的均质溶液，首先使用聚焦流体的微流控装置生产（图1b）。温度诱导相分离的DNA液滴胶凝化，从而每个液滴产生一个微凝胶（图1c）。收集到的微凝胶是单分散的（图1d），这是由于每个液滴的DNA数目分布窄而预期的。分散到下游应用程序所需的缓冲区中。

图1 通过在微流控限制条件下阻滞相分离制备单分散 DNA微凝胶。

光控执行器

上述观察例证了单分散全 DNA微凝胶的高体积变化能力。在这里， 作者 证明了可以使用阳离子偶氮TAB光电开关（图2a）来控制此过程。以前，AzoTAB已被用于可逆控制溶液中DNA线圈-小球的过渡和凝聚。将浓度高于1 mm的反式azoTAB加入以100 mg mL –1 制备并悬浮在TE缓冲液中的单分散全DNA微凝胶中，会引起显着的微凝胶压实（图2b），微凝胶直径最大降低约2.6倍，相当于体积减少了约17倍。相比之下，适应紫外线的顺式偶氮TAB在整个测试浓度范围内对凝胶的大小没有显着影响（图2b），因此，在3 mm 的 trans-azoTAB存在下，用紫外线照射了深色适应的微凝胶。反式-顺式azoTAB光异构化引起的显着微凝胶膨胀（图2a，c）。

图2 使用偶氮苯表面活性剂的光敏 DNA微凝胶。

响应 性超级结构

最后研究了全 DNA单分散微凝胶的组装，以形成光响应超结构。尽管DNA修饰的胶体之间的序列控制相互作用提供了强大的平台来加工复杂的材料，但狭窄的结晶范围使其难以实施。因此，在这里依靠的是更简单的策略。在室温下通过缓慢干燥TE缓冲液中的微凝胶悬浮液来压实低离子强度的排斥性DNA胶体。缓慢的水蒸发逐渐使胶体浓缩，最终导致紧致的微凝胶层固定在下面的玻璃盖玻片表面上（图3a–c）或作为独立的膜（图3d–i）保留，具体取决于补液 协议（请参见方法）。

图3 光敏微凝胶组件。

结论

这些结果表明，在阳离子偶氮苯光敏开关存在下，所有 DNA材料都具有快速而宽泛的光触发膨胀/紧实特性。这种溶胀基于水凝胶网络中的螺旋状球状过渡，超过了混合DNA聚合物水凝胶中所报道的溶胀。使用单分散全DNA微凝胶证明了这种效果，并通过微凝胶超结构的驱动将其转移至下一结构水平。由于azoTAB已被用于控制DNA转录， 该 结果也为DNA微凝胶中光控无细胞基因表达提供了新途径。微流 控 生产工艺也对以前的微凝胶制备方案进行了改进，使直径大小比微流 控 乳液液滴小一个数量级的大小受控的DNA微凝胶组装成为可能，从而 通过简单地将整个液滴凝胶化而减小了尺寸。 ''内容。 作者 表明，对 所有 DNA微凝胶的尺寸控制得到了改善，使其能够组装成周期性结构，这在以前报道的过程中是不可能的。总体而言， 该 研究结果为响应性DNA材料的设计提供了新工具，为药物递送，纳米机械设备和组织工程应用打开了视野。

参考文献： doi.org/10.1002/adfm.202010396

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