【科研摘要】
丙烯酸酯修饰的 DNA是制备DNA功能化水凝胶的最常用试剂。 最近 ， 滑铁卢大学刘珏文教授团队 在聚丙烯酰胺水凝胶中，在冷冻聚合条件下，未改性的五腺嘌呤（A5）在冷冻聚合条件下， 在8 h内可达到75％的结合效率。
通过形成双链体或其他折叠结构并去除冷冻条件，降低了DNA掺入效率。通过设计含有A5嵌段的二嵌段DNA，连接了各种功能性DNA序列。这种水凝胶被设计用于超灵敏的DNA杂交和Hg 2+ 检测，检测极限分别为50 pM和10 nM，证明了使用未修饰的DNA代替acrydite-DNA的可行性。 凝胶纳米颗粒和整料都使用相 同的方法。 这项工作通过利用冷冻揭示了有趣的反应产物，并提供了一种将DNA附着到水凝胶上的经济有效的方法。 相关论文以题为 Freezing‐assisted Conjugation of Unmodified Diblock DNA to Hydrogel Nanoparticles and Monoliths for DNA and Hg 2+ Sensing 发表在《A ngewandte Chemie 》上。
【主图】
示意图 1制备DNA-水凝胶缀合物的两种策略的示意图： （A）在自由基聚合过程中使丙烯酸酯修饰的DNA共聚；（B）使含有A5嵌段的未修饰的二嵌段DNA与聚合物如聚丙烯酰胺和聚NIPAm反应形成加成片段 。
图 1. （A）通过冷冻自由基聚合制备A5 DNA-水凝胶结合物的示意图。（B）显示在冷冻聚合之前和之后以及在室温下解冻之后的单体溶液的照片。在缓冲液A（20 mM HEPES，pH 7.6，4％甘油）中制备凝胶。（C）在离心后观察到的甘油浓度（v/v％）对凝胶产率的影响。（D）通过DLS测量的A5 DNA-凝胶颗粒的平均流体动力学尺寸。（E）干燥的A5 DNA凝胶颗粒的TEM显微照片。
图 2. （A）含有水凝胶纳米颗粒的分散和离心FAM-A5的荧光照片。（B）在-20℃和4℃下的FAM-A5掺入动力学。插图：1小时内的数据。（C）冷冻后浓缩在微袋中的溶质的示意图，导致有效的DNA附着。（D）溶胀的凝胶的重量作为反应时间的函数。直到1小时没有沉淀出现。插图：离心后不同时间点的样品照片。（E）在不同条件下反应的50nM FAM-A5的凝胶显微照片。
图 3. （A）通过冷冻制备的不同长度的100 nM FAM标记的同源DNA的掺入效率。（B）通过在缓冲液A中冷冻制备的游离FAM-T15和FAM-T30及其水凝胶结合物的凝胶显微照片。（C）比较凝胶制备过程中双链和单链DNA的掺入效率。将100 nM FAM-DNA与150 nM非标记DNA杂交。（D）将FAM-C15掺入在pH 5.0（20mM乙酸盐），7.6（20mM HEPES）和9.5（20mM碳酸盐）制备的水凝胶中。
图 4.比较含荧光的A5双嵌段DNA和丙烯酸酯修饰的DNA之间的DNA接枝。 （A）上图：使用的DNA序列。下图：凝胶合成过程中cDNA的屏蔽和A5嵌段的暴露。（B）用两条DNA链制备的凝胶的照片。（C）在凝胶合成过程中没有和有cDNA的两种DNA的掺入百分比的比较。（D）DNA浓度对掺入效率的影响。
图 5.通过A5双嵌段DNA-水凝胶结合物捕获DNA。 （A）使用的DNA序列。（B）左图：形成双链体以仅暴露二嵌段DNA中的A5区段以进行缀合的示意图。右图：在90°C下用0.1 mM NaOH去除cDNA2 1分钟的示意图。在20 mM HEPES（pH 7.6，100 mM NaCl）中，A5双嵌段DNA-水凝胶结合物与（C）FAM-cDNA2和（D）FAM对照DNA结合的荧光光谱。用各种浓度的FAM-cDNA2滴定至（E）有和没有cDNA2的凝胶偶联物。插图（E）：在低FAM-cDNA2浓度 下的响应显示了近 90％的捕获效率。
图 6.通过A5双嵌段DNA-水凝胶结合物检测Hg 2+ 。 （A）A5DNA3的序列。（B）Hg 2+ 与含A5DNA3的水凝胶纳米颗粒结合的示意图。（C）5 µM Hg 2+ 与20 mg/mL含A5DNA3的水凝胶（ 〜 500 nM DNA）结合的荧光光谱。Hg 2+ 结合用8 mM硝酸三钠（pH 8.0）中的200 nM SGI和150 mM NaNO3染色。（D）含有结合到5 µM Hg 2+ 的水凝胶的20 mg/mL A5DNA3的动力学。（E）滴定各种浓度的Hg 2+ 。插图：初始线性响 应。 （F）Hg2 +传感器对每种金属离子5 µM的选择性 。
图 7. （A）使用冷冻聚合在96孔板中制备A5二嵌段DNA-整体凝胶缀合物的示意图。（B）在由数码相机（左）和凝胶记录系统（右）成像的整料中，将不含和带有A5嵌段的FAM标记的双链体并入。（C）5 µM Hg 2+ 被整块中含有富含T的DNA的A5结合，然后在8 mM Tris-硝酸盐缓冲液（pH 8.0，含150 mM NaNO 3 ）中用1 µM SGI对DNA进行染色。
【导师学术】
参考文献 ： doi.org/10.1002/anie.202102330
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