天津大学仰大勇团队Nature Protocols：酶促滚环扩增策略合成DNA水凝胶

颗粒在线讯：近期，Nature Protocols发表了天津大学化工学院仰大勇教授团队在DNA生物功能材料领域的最新进展。论文系统报道了基于酶促滚环扩增反应合成DNA水凝胶的分子基础、合成策略、功能调控和生物应用。该方法构建了具有独特物理化学性质和多种生物功能的DNA水凝胶，为细胞分离、细胞递送和疾病治疗提供了重要的材料化学基础。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41596-021-00621-2

面向生命健康的重大需求，研究结构精准可控和生物活性可调的生物材料，是生物医用材料发展的关键和国际前沿领域。生命系统中小分子、大分子和细胞等关键功能物质的创造，涉及精准、高效、温和的生物酶高效催化、生物分子高效组装等过程。DNA作为生命系统的遗传分子，可精准调控生命活动。从材料化学角度，DNA作为天然的生物大分子，具有序列可编程性和序列信息精准传递的特点，具有功能和生物活性可定制的独特优势。基于这些性质，DNA可以作为一种材料构建基元，用于精准创制多种功能材料。近年来，DNA水凝胶在组织工程、疾病治疗、蛋白质工程和软体机器人等领域崭露头角，被认为是一种极具应用前景的重要生物医用材料。DNA水凝胶中DNA分子既作为水凝胶骨架结构，亦承载了DNA的生物功能，可实现分子结构与生物功能的完美融合。

仰大勇教授团队在DNA生物功能材料领域开展了系统的研究，本文在这些研究的基础上总结了基于酶促滚环扩增（RCA）的DNA水凝胶功能材料化学系统。RCA是一种条件温和、高效的生化反应，以等温酶促扩增的方式合成超长DNA单链，在复杂的生物环境中具有稳定的合成效率。RCA仅需要少量的环状DNA模板，在phi29 DNA聚合酶的作用下，催化DNA链延伸和链置换，实现对DNA模板互补链进行百倍级别的扩增。基于这一生化反应，超长DNA单链可通过链间缠结、多级引物扩增、链间杂交以及DNA链与功能基元杂化等四种交联策略，形成三维水凝胶网络。首先利用RCA反应生成超长DNA单链，通过链间缠结作用，构建了纯物理交联的DNA水凝胶。之后通过控制反应时间顺序的策略，实现了多引物扩增，即先进行初级RCA反应产生超长DNA单链，然后以初级RCA产物为模板进行多级反应。在此基础上，发展了基于RCA产物DNA链间杂交的物理交联DNA水凝胶，实现了骨髓间充质干细胞的特异性高效捕获、三维包封和酶促可控无损释放。进一步，通过引入纳米功能基元，利用DNA链与功能基元的杂化构建了DNA杂合水凝胶。通过调变功能基元，杂合DNA水凝胶展现出独特的光学、磁学等性质。基于这一合成策略，制备了具有超软超弹性和磁性的杂合DNA水凝胶，实现了受限空间内活细胞的无损递送。

图1. 基于酶促滚环扩增反应的DNA水凝胶制备策略示意图

课题组简介：仰大勇课题组以生物大分子DNA为研究主线，聚焦DNA生物功能材料化学组装与智能制造，并用于生命分析和疾病治疗。