Chem：长度及手性形貌可控的DNA超分子纤维

　　超分子聚合物在构筑层级纳米材料方面具有惊人的效果。它们的聚合不仅需要精准控制各组分的化学性质，例如疏水性，立体化学以及分子量等，而且需要对聚合机理进行控制。在自然界中，生物体系能够将生物大分子如多肽和DNA等组装为各种各样具有多种结构和功能的组装体。一种方式是利用不同组分构筑基元之间的非共价界面力使各组分进行有序组装。在所有层级上控制这些非共价的接口对于组装体跨越空间尺寸层级的组装具有重要意义。受到生物体内各种多组分组装体的启发，人们发现具有特定次序的聚合物正在成为构筑通用型超分子聚合物的重要组分。DNA两亲体是一种特殊的具有特定次序的聚合物，在这种聚合物中，一段疏水性单体序列被附加到一条短 DNA 链上。它们可以通过微相分离形成完全由一种分子单元构成的组装体。聚合物次序的微小改变就会导致自组装形式的巨大变化，这种有趣的现象在之前却很少被人们研究。对于组装体的立体结构对组装方式的影响，人们研究的则更少。然而，在自然界中，生物体系中的组装体常常会受到单体次序和手性立体结构的影响。

　　近日，加拿大麦克吉尔大学Hanadi F. Sleiman教授和美国佛蒙特大学黎嘉宁教授团队报道了通过独特的热驱动机制进行层级组装的修饰DNA聚合物，它们可以组装为纤维，不同的DNA基块沿着纤维长轴分布，疏水核心的立体化学序列可以被放大为 DNA 纤维中独特的形态特征。该工作以题为“Thermosetting supramolecular polymerization of compartmentalized DNA fibers with stereo sequence and length control”发表在《Chem》上。

　　【退火层级自组装】

　　关于组装单体的结构设计，作者将DNA通过磷酸二酯键嫁接到具有多个磷酸二酯键与C 12长烷基链的组装片段上（bC12 12-DNAa）。这种结构赋予了组装单体两个方面的特征：其一为单体在水溶液中具有较高的溶解性，其二为由于多个负电荷的存在，单体分子的组装需要在大量阳离子的存在下才可进行。经过实验发现，二价阳离子的存在对bC12 12-DNAa的组装具有戏剧性的影响。在退火条件（从95℃开始降温）下，1.25 mM镁离子的存在会使bC12 12-DNAa组装为球形组装体，增加镁离子浓度，组装体可逐渐变为纤维状。当镁离子浓度达到12.5 mM时，通过AFM和TEM的观察，纤维长度可以达到1微米。

　　图1. bC1212-DNAa退火自组装

　　【动力学控制的层级自组装】

　　有趣的是，作者发现随着温度的升高，bC12 12-DNAa组装体的长度会变长。将单体溶液从室温开始升温到90℃，并分别在30 ℃，50 ℃，70 ℃和90 ℃条件下保持10分钟，通过AFM观察每个阶段的组装情况，发现组装体纤维的长度随着温度上升而显著增长。对于此，作者猜测bC12 12-DNAa会先组装为长度较短的片状组装体，随着温度的增长，片状组装体之间会发生融合，最终组装为长度较长的纤维。通过改造bC12 12-DNAa，在分子中引入Cy3和Cy5两个不同颜色的荧光片段，作者通过对荧光的观察，直观的证实了的猜测的正确性。

　　图2. 温度控制的自组装及片状自组装

　　【具有不同DNA序列的自组装】

　　类似于以上方法，作者合成了另外一种单体bC12 12-DNAb，它与bC12 12-DNAa相比，具有类似的长度，仅仅在于DNA序列的不同。通过控制温度和镁离子的浓度，可以合成bC12 12-DNAa和bC12 12-DNAb交替组装的纤维。通过控制镁离子浓度，可以调控纤维的长度，例如镁离子浓度为3.125 mM和6.25 mM时，组装体纤维长度分别可达204 nm和382 nm，因此通过调节各种参数和分子结构，理论上可以定义合成需要合成纤维的长度。

　　图3. DNA序列分段纤维

　　【手性立体化学对组装的影响】

　　为了进一步探索手性立体结构对单体组装效果的影响，作者合成了三种具有不同手性排列方式的bC12 12-DNAa变体。手性均在烷基部分引入。其中第一种为S构型和R构型交替排列的形式，第二种为六个S构型和六个R构型烷基嵌段排列，第三种为仅有一种R构型。发现由于构象的不匹配，第一种仅能组装为较短的纤维，第三种由于各组分具有非常好的兼容性，因而可以以相互缠绕的形式组装为错综复杂的组装体，第二种具有适中的兼容性和界面间相互作用，因而可以组装为相互独立的具有较长长度的纤维。该结果清晰的表明单体的手性及手性次序对其组装体的形貌具有重要的影响。

　　图4. 手性自组装

　　总结：该工作探索了热驱动以及镁离子浓度调制的含有不同次序DNA单体的组装模式。发现温度及升降温速率等对其组装方式具有较大影响。镁离子浓度可以影响纤维状组装体的长度。通过机理研究发现，该单体的组装模式为首先组装为较短的片状结构，随后片层之间融合为纤维。因此对于含有不同DNA序列的单体，可以采用这种方式实现不同DNA在纤维表面的分段分布。此外，组装体核心烷基的手性对其组装体的形貌也具有重要影响。构筑的这些材料有可能与生物学相结合，用于基因沉默、适体结合、组织生长和再生、结构或生物传感应用。

　　来源：高分子科学前沿

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