近期，天津大學化工學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的DNA軟體水凝膠，并成功應用于釀酒酵母發(fā)酵過程控制的DNA水凝膠導線電路系統(tǒng)中。天津大學化工學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，智能生物響應材料在軟體機器人和智能醫(yī)學領(lǐng)域顯示出巨大的應用潛力。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，成為阻礙智能生物響應材料進一步發(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，并成功用于細胞無損遞送和干細胞特異性抓捕（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 2490-2495; J. Am. Chem. Soc., 2020, 3422-3429）。
進一步，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，進而構(gòu)建DNA雜化的永久和動態(tài)雙網(wǎng)絡。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。
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)。電路通過水凝膠導線接通，隨著釀酒酵母發(fā)酵過程的進行，釀酒酵母消耗葡萄糖生產(chǎn)乙醇，乙醇逐漸積累導致體系溶劑極性降低，水凝膠導線因而發(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。該DNA軟體水凝膠有望應用于柔性電子器件、軟體機器人以及智能醫(yī)學等領(lǐng)域。
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參考文獻：
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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