近期，天津大学化工学院仰大勇教授课题组在Advanced Science上发表关于酿酒酵母发酵过程控制DNA水凝胶导线电路开关的研究。提出了构建超软动态DNA水凝胶的新策略，制备出能够对溶剂极性微弱变化做出超快速和高灵敏度响应的DNA软体水凝胶，并成功应用于酿酒酵母发酵过程控制的DNA水凝胶导线电路系统中。天津大学化工学院博士研究生韩金鹏和硕士研究生崔宇辰为共同第一作者。研究得到国家自然科学基金和科技部重点研发项目的资助支持。
近年来，智能生物响应材料在软体机器人和智能医学领域显示出巨大的应用潜力。大部分动态材料模量较大，如在1000 Pa以上，难以灵敏地对生物体刺激信号的微弱变化做出动态响应，成为阻碍智能生物响应材料进一步发展的关键问题。脱氧核糖核酸（DNA）作为生命遗传分子，是可编程的生物大分子，近年来开始用于制造新型生物材料，尤其是DNA水凝胶的蓬勃发展（Prog. Polym. Sci. 2019, 98, 101163）。在前期工作中，仰大勇教授课题组制备了以超软DNA水凝胶（弹性模量低于100 Pa）为主体的软体机器人，并成功用于细胞无损递送和干细胞特异性抓捕（Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 2490-2495; J. Am. Chem. Soc., 2020, 3422-3429）。
进一步，仰大勇教授课题组提出了构建超软动态DNA水凝胶的新策略。他们在鲑鱼精长链DNA中引入多巴胺接枝的葡聚糖（DEX-g-DOPA），合成了DNA与DEX-g-DOPA复合的软体水凝胶。DEX-g-DOPA分子间的共价健形成永久交联点，DEX-g-DOPA与DNA之间的氢键和疏水相互作用形成动态交联点，进而构建DNA杂化的永久和动态双网络。软体水凝胶的储能模量仅为约50 Pa，能够对溶剂极性的微弱变化做出超快速和高灵敏度的体积响应。
图1. 利用鲑鱼精DNA合成软体水凝胶导线。A) 多巴胺接枝葡聚糖的分子合成。B) 对溶剂极性变化响应的超软DNA水凝胶的制备。C) 酿酒酵母发酵过程控制DNA水凝胶导线电路开关。
基于DNA软体水凝胶的上述特性，他们将软体水凝胶制作成电路导线，设计了通过酿酒酵母发酵过程控制的电路开关系统。电路通过水凝胶导线接通，随着酿酒酵母发酵过程的进行，酿酒酵母消耗葡萄糖生产乙醇，乙醇逐渐积累导致体系溶剂极性降低，水凝胶导线因而发生体积收缩，电路断开，实现了对微生物代谢过程中微量代谢产物的智能响应。该DNA软体水凝胶有望应用于柔性电子器件、软体机器人以及智能医学等领域。
原文链接：
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.
https://doi.org/10.1002/advs.202000684
课题组主页
http://yanglab-dna.com/
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