中国青年学者一作，最新Nature Nanotechnology：可编程DNA智能材料

在自然界中，生物系统能够通过大分子结构的可逆变化实现局部形变，从而改变自身形态。受此启发，科学家们长期以来致力于开发能够响应温度、光照、pH值等外界刺激而收缩、膨胀、弯曲或折叠的仿生材料。然而，如何合成能够自主形成复杂三维结构，并实现可逆形状转变的材料，一直是该领域面临的重大挑战。

近日，北卡罗来纳大学教堂山分校Ronit Freeman课题组报道了一种具有层级结构的DNA-无机花状晶体，它们能够在酸性环境中可逆地收缩、弯曲甚至闭合。研究人员通过非模板依赖的DNA聚合酶TdT，将pH响应的C碱基区块与惰性的T碱基区块进行线性聚合或嵌段共聚，并将其限制在花状的焦磷酸钴晶体内部生长。实验与模拟结果表明，花瓣内部DNA链在酸性条件下发生的可逆折叠——形成i-motif结构——是驱动花朵整体重构的关键。通过调控DNA聚合物的序列、长度及其在晶体中的空间分布，可以精确预设花朵的形变模式。这种跨尺度的机械形变能力，进一步被用于激活级联生物催化反应并实现凝胶加密信息的可视化。相关论文以“Reversible metamorphosis of hierarchical DNA–inorganic crystals”为题，发表在Nature Nanotechnology上，论文第一作者为Gao Yuan。

研究首先通过TdT酶催化单链DNA引物在焦磷酸钴存在下聚合，成功制备了多种碱基组成的DNA-无机杂化花状晶体。扫描电镜图像显示，晶体从核状结构逐渐生长为具有分层花瓣的三维花朵，且花朵仅在DNA链长度超过650个碱基时才会形成。不同碱基的聚合速率依次为T > C > A > N，而G碱基因易形成G-四链体而无法成花。荧光共聚焦显微镜证实DNA均匀分布于花瓣中，且花朵能通过碱基互补配对与外源DNA结合。

图1 | 通过TdT酶促DNA聚合一锅法制备DNA-无机晶体 左上：TdT聚合过程及花状DNA–Co₂PPi杂化晶体生长示意图。右上：不同聚合时间下polyT、polyC、polyA及polyN DNA-无机晶体的SEM图像。下图：DNA晶体形成动力学与DNA链长度的关系，显示花朵仅在DNA长度超过650碱基时形成。底部共聚焦图像显示花朵内DNA分布。

针对富含C碱基的花朵，研究团队发现其在酸性pH下会发生整体收缩，尺寸近乎减半，并在恢复中性pH后重新膨胀。圆二色谱分析证实这一可逆形变源于C链形成i-motif构象。透射电镜与X射线衍射进一步揭示，酸性条件下花瓣内部的晶格面间距从0.92纳米缩小至0.57纳米，与花朵整体收缩程度一致，说明DNA的折叠重构了晶体有序结构，从而引发宏观形变。

图2 | pH驱动的C-DNA花朵可逆收缩与膨胀 a. 荧光标记的C花朵在pH 5下收缩及pH 7下膨胀的时序共聚焦图像。b. 三个pH循环中花朵边缘尺寸变化追踪。c. C花朵在不同pH下的圆二色谱，显示酸性条件下形成i-motif。d. 花瓣上标记点位置分析，表形变以收缩为主。e. TEM图像显示酸性条件下花朵整体尺寸与晶格间距均发生收缩。

为赋予花朵更复杂的变形能力，研究人员进一步构建了具有TC或CT序列的嵌段共聚花朵。共聚焦成像显示，TC花朵在酸性条件下发生花瓣闭合，而CT花朵则表现为整体收缩。通过分析花瓣上标记点的位置变化，并结合弹性薄壳理论与有限元模拟，他们发现形变模式取决于响应层与惰性层之间的界面耦合强度：TC花朵中C层均匀包裹T层花瓣，形成足以引发弯曲的界面；而CT花朵中T层主要在C层边缘横向生长，导致界面耦合不足，仅能发生收缩。

图3 | 二嵌段DNA-无机晶体的形变 a,b. TC与CT二嵌段晶体的聚合示意图。c,d. 两类花朵在酸性pH下的时序形变图像。e,f. 3D共聚焦重建图像显示T与C区块在花中的空间分布。g,h. 高分辨率图像显示TC与CT花瓣中不同区块的包覆结构。

进一步调控C层的聚合时间，可改变其在T层花瓣上的包覆厚度，从而调节弯曲曲率。实验与理论预测均显示，随着C层增厚，花瓣曲率先升高后降低，存在一个最优厚度以实现最大弯曲。此外，通过构建TCT三嵌段花朵，研究人员还在单枚花瓣上实现了收缩与弯曲的复合形变，显示出通过聚合步骤调控空间形变模式的潜力。

图4 | 模块化DNA-无机晶体的多种驱动机制编程 a,b. TC与CT花朵花瓣上标记点位置分析，分别显示弯曲与收缩形变模式。c. 凝胶电泳比较不同TC花朵中DNA长度。d. 不同C层聚合时间下TC花瓣的结构图像。e. 实验测量与理论预测的花瓣曲率随C层厚度变化关系。f. TCT三嵌段花朵形变分析，显示收缩与弯曲复合模式。g. 多种花朵在pH循环中的形变曲率热图。

研究还将花朵的形变与功能相结合，利用其开合状态调控内部封装酶的催化反应。通过在TC花朵的不同聚合步骤中分别封装葡萄糖氧化酶与辣根过氧化物酶，构建了“花瓣开则反应通，花瓣合则反应阻”的智能反应器。实验表明，这种空间分隔显著提高了级联反应效率，并在十次pH循环中保持稳定活性，而游离酶的活性则迅速下降。更重要的是，研究团队利用此类花朵作为可重复使用的“隐形墨水”，在凝胶薄膜中加密信息：酸性环境下花朵闭合，反应物扩散受限导致显色；中性环境下花朵重新打开，信息被“擦除”。该装置实现了多轮可逆的信息读写。

图5 | DNA-无机驱动器形变模式与生物化学反应的耦合 a. GOx与HRP在花朵中的分区封装及其级联反应示意图。b. pH循环中两类花朵与游离酶的催化速率比较。c. 利用酶载花朵实现凝胶加密信息的可逆读写。

该研究构建了一类能够响应环境信号并模仿生物形变能力的DNA-无机晶体材料框架。通过调控DNA嵌段组成、长度与空间分布，可实现从纳米级晶格重构到微米级花朵形变的跨尺度编程。未来，通过引入光敏碱基等元件，有望实现光控形变；这类材料在软体机器人、药物递送、智能反应器等领域具有广阔的应用前景。

来源：高分子科学前沿

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