从“大海捞针”到“按图设计”：华南理工林志伟团队JACS：找到DNA识别碳纳米管的新方法

在纳米材料的世界里，一条短短的 DNA，竟能帮助从复杂的碳纳米管混合物中分离出特定结构的材料。不同碳纳米管看起来相似，导电和发光性质却可能大不相同。找到能够识别它们的DNA序列，是获得高纯度材料、开发纳米器件与传感器的重要一步。

然而，怎样找到这样一条DNA，长期以来仍是一场“大海捞针”：研究者往往需要合成大量序列，逐一测试，再从中寻找有效的组合。二十多年来，人们已经发现不少具有识别能力的DNA，但如何依据分子结构设计出新的有效序列，始终是一个难题。

破解这一难题的线索，藏在DNA的缠绕结构中。一些DNA包覆碳纳米管时，会形成有序的螺旋，碱基之间通过氢键相互连接，稳定整个网络。它就像一座微型“分子建筑”：缠绕方式决定基本框架，关键位置的氢键提供结构支撑。如何将这些结构规律转化为“分子图纸”，进而从头设计能够识别碳纳米管的DNA序列，是该领域长期面临的一项挑战。

针对这一挑战，华南理工大学林志伟教授团队近日在国际顶尖学术期刊《Journal of the American Chemical Society》发表题为 “ De Novo Design of Hydrogen-Bonding Networks for Deterministic Bio-Nano Recognition” 的研究论文，提出基于氢键网络的DNA从头设计方法。团队将这些“建筑规则”转化为计算机能够执行的设计程序，并用实验检验生成的序列：150条设计序列中，137条能够用于碳纳米管的手性选择性分离，成功率达到91.3%，最终获得21种不同的单手性碳纳米管。进一步研究还表明，这张“分子图纸”能够指导DNA缠绕结构的调节，进而改变材料对外界分子的传感表现，让DNA与碳纳米管的组合有了更清晰的设计依据。华南理工大学前沿软物质学院博士生朱丽和博士后李依浓为本文共同第一作者，林志伟教授为独立通讯作者。

像盖房子一样设计DNA 让氢键网络有图可循

盖一栋房子，需要先确定尺寸和框架，再搭起承重结构，最后补全其他连接。研究团队借用了这一思路，把碳纳米管表面的氢键网络看作一座微型“分子建筑”，从结构要求出发，逐步设计DNA序列。首先，确定DNA的长度与氢键网络结构，搭出“分子建筑”的基本框架。随后，在关键位置安排较强的氢键连接，形成稳定网络的“承重结构”。最后，通过较弱的连接补全网络，并避开可能的空间冲突，完成DNA序列设计（图1）。然而，人工逐条设计、检查，仍然是一项繁重的工作。为此，研究团队开发了自动化设计程序DNA-HBN Compiler，让计算机按照氢键网络的规则生成候选序列。

图1. 像设计建筑一样设计DNA序列。

设计规则接受实验检验

研究团队将150条从头设计的DNA用于碳纳米管分离，检验设计规则能否在实验中奏效。其中，137条序列能够实现单手性分离，成功率达到91.3%，共获得21种单手性碳纳米管，包括三种稀少的准金属性碳纳米管（图2）。这些结果验证了氢键网络规则指导DNA设计的有效性。

图2. HBN 从头设计实现 21 种单手性碳纳米管的高纯度分离与光谱表征。

调整分子图纸 改变DNA的识别与缠绕方式

一张“分子图纸”能够指导DNA的设计，也可以进一步调整识别碳纳米管的手性与性能。研究团队发现，改变图纸中的DNA框架，DNA对碳纳米管的识别偏好也会随之变化，使分离结果整体向不同直径的碳纳米管偏移（图3）。

与此同时，即使面对同一种碳纳米管，DNA也可以形成疏密不同的包覆结构。就像缠绕在细管上的丝带，相邻两圈靠得近，覆盖就更紧密；两圈之间的距离拉大，表面便会留下更多可供外界分子接近的空间（图4）。

这让研究者能够进一步设计DNA与碳纳米管接触的界面。而界面是否容易被外界分子接近，又会影响材料怎样感知这些分子，为调节传感性能提供了新的切入点。

图3. 调节 HBN 螺旋周期 N，可使 DNA 的识别偏好规律性地向更大直径碳纳米管移动。

图 4.HBN 螺旋周期 N 调控 DNA 在碳纳米管表面的螺距与界面可及性。

拆解传感“结构密码”，看DNA螺距与碳纳米管手性如何各司其职

DNA包覆的碳纳米管可以充当光学传感器。当多巴胺等分子与其表面相互作用时，碳纳米管的近红外荧光会发生变化，成为感知这些分子的信号。

研究团队发现，DNA缠绕得疏密不同，传感表现也会随之改变。较疏松的包覆结构为外界分子接近界面提供了更多空间，使多巴胺引起的荧光响应更加明显。同时，不同分子产生的响应差异也更清晰，有助于区分多巴胺、去甲肾上腺素等分子（图5a-b）。

除了响应清晰，传感器还需要抵抗环境干扰。加入铜离子后，不同结构的碳纳米管表现出不同的稳定性：部分传感器的响应受到明显影响，而其中一种仍保留了对测试分子的区分能力（图5c-d）。因此，研究者可以同时考虑DNA的缠绕方式与碳纳米管自身的结构，在改善分子响应的同时，提高干扰条件下的传感稳定性。

图5. 复杂环境中的分子区分能力与传感稳定性。

短短一条DNA，连接着生物分子与纳米材料两个世界。这项研究以氢键网络为线索，将DNA如何缠绕、怎样稳定连接的结构规律，转化为能够指导序列生成与功能调控的设计规则。那张微小的“分子图纸”，为寻找有效DNA提供了方向，也为开发传感器提供了结构依据。随着这些规则不断完善，研究者有望更有针对性地组合生物分子与人工材料，让微观世界中的连接关系，成为设计材料新功能的起点。

该工作得到了国家重点研发项目、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究项目、广州市科技菁英“领航”项目、广州市GJYC项目、中央高校基本科研业务费、华南理工大学发光材料与器件全国重点实验室基金、小米基金会等多个项目和基金的支持。

文章信息：

De Novo Design of Hydrogen-Bonding Networks for Deterministic Bio-Nano Recognition. Li Zhu †, Yinong Li†, Yannan Feng, Junran Luo, Jian Li, Shishan Tian, and Zhiwei Lin*