釀酒酵母發酵過程控制DNA水凝膠導線電路開關

近期,天津大學化工學院仰大勇教授課題組在Advanced Science上發表關於釀酒酵母發酵過程控制DNA水凝膠導線電路開關的研究。提出瞭構建超軟動態DNA水凝膠的新策略,制備出能夠對溶劑極性微弱變化做出超快速和高靈敏度響應的DNA軟體水凝膠,並成功應用於釀酒酵母發酵過程控制的DNA水凝膠導線電路系統中。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。研究得到國傢自然科學基金和科技部重點研發項目的資助支持。

近年來,智能生物響應材料在軟體機器人和智能醫學領域顯示出巨大的應用潛力。大部分動態材料模量較大,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響應,成為阻礙智能生物響應材料進一步發展的關鍵問題。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,近年來開始用於制造新型生物材料,尤其是DNA水凝膠的蓬勃發展(Prog. Polym. Sci. 2019, 98, 101163)。在前期工作中,仰大勇教授課題組制備瞭以超軟DNA水凝膠(彈性模量低於100 Pa)為主體的軟體機器人,並成功用於細胞無損遞送和幹細胞特異性抓捕(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瞭構建超軟動態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),合成瞭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點,DEX-g-DOPA與DNA之間的氫鍵和疏水相互作用形成動態交聯點,進而構建DNA雜化的永久和動態雙網絡。軟體水凝膠的儲能模量僅為約50 Pa,能夠對溶劑極性的微弱變化做出超快速和高靈敏度的體積響應。

基於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,設計瞭通過釀酒酵母發酵過程控制的電路開關系統。電路通過水凝膠導線接通,隨著釀酒酵母發酵過程的進行,釀酒酵母消耗葡萄糖生產乙醇,乙醇逐漸積累導致體系溶劑極性降低,水凝膠導線因而發生體積收縮,電路斷開,實現瞭對微生物代謝過程中微量代謝產物的智能響應。該DNA軟體水凝膠有望應用於柔性電子器件、軟體機器人以及智能醫學等領域。

釀酒酵母發酵過程控制DNA水凝膠導線電路開關
圖1. 利用鮭魚精DNA合成軟體水凝膠導線。A) 多巴胺接枝葡聚糖的分子合成。B) 對溶劑極性變化響應的超軟DNA水凝膠的制備。C) 釀酒酵母發酵過程控制DNA水凝膠導線電路開關。

相關進展:

天津大學仰大勇課題組《德國應化》:手性碳量子點模擬拓撲異構酶I調控超螺旋DNA拓撲結構

天津大學仰大勇課題組研發動態化學材料新體系:碲鉑動態配位體系和機械性能可逆調控的智能水凝膠

天津大學仰大勇團隊《JACS》:DNA水凝膠網絡實現幹細胞特異性高效捕獲

天津大學仰大勇《Nano Letters》:長餘輝水凝膠用於靶向、持續和無自發熒光的腫瘤轉移成像

天津大學仰大勇《德國應化》:超軟超彈磁驅動導航DNA軟體機器人用於受限空間細胞遞送

天津大學仰大勇課題組發表DNA高分子水凝膠研究系統評述

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.

全文鏈接:

https://doi.org/10.1002/advs.202000684

相关新闻