近期，天津大學(xué)化工學(xué)院仰大勇教授課題組在Advanced Science上發(fā)表關(guān)于釀酒酵母發(fā)酵過程控制DNA水凝膠導(dǎo)線電路開關(guān)的研究。提出了構(gòu)建超軟動態(tài)DNA水凝膠的新策略，制備出能夠?qū)θ軇O性微弱變化做出超快速和高靈敏度響應(yīng)的DNA軟體水凝膠，并成功應(yīng)用于釀酒酵母發(fā)酵過程控制的DNA水凝膠導(dǎo)線電路系統(tǒng)中。天津大學(xué)化工學(xué)院博士研究生韓金鵬和碩士研究生崔宇辰為共同第一作者。研究得到國家自然科學(xué)基金和科技部重點研發(fā)項目的資助支持。
近年來，智能生物響應(yīng)材料在軟體機器人和智能醫(yī)學(xué)領(lǐng)域顯示出巨大的應(yīng)用潛力。大部分動態(tài)材料模量較大，如在1000 Pa以上，難以靈敏地對生物體刺激信號的微弱變化做出動態(tài)響應(yīng)，成為阻礙智能生物響應(yīng)材料進(jìn)一步發(fā)展的關(guān)鍵問題。脫氧核糖核酸（DNA）作為生命遺傳分子，是可編程的生物大分子，近年來開始用于制造新型生物材料，尤其是DNA水凝膠的蓬勃發(fā)展（Prog. Polym. Sci. 2019, 98, 101163）。在前期工作中，仰大勇教授課題組制備了以超軟DNA水凝膠（彈性模量低于100 Pa）為主體的軟體機器人，并成功用于細(xì)胞無損遞送和干細(xì)胞特異性抓捕（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 2490-2495; J. Am. Chem. Soc., 2020, 3422-3429）。
進(jìn)一步，仰大勇教授課題組提出了構(gòu)建超軟動態(tài)DNA水凝膠的新策略。他們在鮭魚精長鏈DNA中引入多巴胺接枝的葡聚糖（DEX-g-DOPA），合成了DNA與DEX-g-DOPA復(fù)合的軟體水凝膠。DEX-g-DOPA分子間的共價健形成永久交聯(lián)點，DEX-g-DOPA與DNA之間的氫鍵和疏水相互作用形成動態(tài)交聯(lián)點，進(jìn)而構(gòu)建DNA雜化的永久和動態(tài)雙網(wǎng)絡(luò)。軟體水凝膠的儲能模量僅為約50 Pa，能夠?qū)θ軇O性的微弱變化做出超快速和高靈敏度的體積響應(yīng)。
基于DNA軟體水凝膠的上述特性，他們將軟體水凝膠制作成電路導(dǎo)線，設(shè)計了通過釀酒酵母發(fā)酵過程控制的電路開關(guān)系統(tǒng)。電路通過水凝膠導(dǎo)線接通，隨著釀酒酵母發(fā)酵過程的進(jìn)行，釀酒酵母消耗葡萄糖生產(chǎn)乙醇，乙醇逐漸積累導(dǎo)致體系溶劑極性降低，水凝膠導(dǎo)線因而發(fā)生體積收縮，電路斷開，實現(xiàn)了對微生物代謝過程中微量代謝產(chǎn)物的智能響應(yīng)。該DNA軟體水凝膠有望應(yīng)用于柔性電子器件、軟體機器人以及智能醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
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參考文獻(xiàn)：
Jinpeng Han,# Yuchen Cui,# Xinpeng Han, Chenyu Liang, Wenguang Liu, Dan Luo, Dayong Yang*, Super-Soft DNA/Dopamine-Grafted-Dextran Hydrogel as Dynamic Wire for Electric Circuits Switched by a Microbial Metabolism Process, Adv. Sci., 2020, 2000684.
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