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  近期，Nature Protocols發表了天津大學化工學院仰大勇教授團隊在DNA生物功能材料領域的最新進展。論文系統報道了基于酶促滾環擴增反應合成DNA水凝膠的分子基礎、合成策略、功能調控和生物應用。該方法構建了具有獨特物理化學性質和多種生物功能的DNA水凝膠，為細胞分離、細胞遞送和疾病治療提供了重要的材料化學基礎。

  面向生命健康的重大需求，研究結構精準可控和生物活性可調的生物材料，是生物醫用材料發展的關鍵和國際前沿領域。生命系統中小分子、大分子和細胞等關鍵功能物質的創造，涉及精準、高效、溫和的生物酶高效催化、生物分子高效組裝等過程。DNA作為生命系統的遺傳分子，可精準調控生命活動。從材料化學角度，DNA作為天然的生物大分子，具有序列可編程性和序列信息精準傳遞的特點，具有功能和生物活性可定制的獨特優勢。基于這些性質，DNA可以作為一種材料構建基元，用于精準創制多種功能材料。近年來，DNA水凝膠在組織工程、疾病治療、蛋白質工程和軟體機器人等領域嶄露頭角，被認為是一種極具應用前景的重要生物醫用材料。DNA水凝膠中DNA分子既作為水凝膠骨架結構，亦承載了DNA的生物功能，可實現分子結構與生物功能的完美融合。

  仰大勇教授團隊在DNA生物功能材料領域開展了系統的研究，本文在這些研究的基礎上總結了基于酶促滾環擴增（RCA）的DNA水凝膠功能材料化學系統。RCA是一種條件溫和、高效的生化反應，以等溫酶促擴增的方式合成超長DNA單鏈，在復雜的生物環境中具有穩定的合成效率。RCA僅需要少量的環狀DNA模板，在phi29 DNA聚合酶的作用下，催化DNA鏈延伸和鏈置換，實現對DNA模板互補鏈進行百倍級別的擴增。基于這一生化反應，超長DNA單鏈可通過鏈間纏結、多級引物擴增、鏈間雜交以及DNA鏈與功能基元雜化等四種交聯策略，形成三維水凝膠網絡。首先利用RCA反應生成超長DNA單鏈，通過鏈間纏結作用，構建了純物理交聯的DNA水凝膠。之后通過控制反應時間順序的策略，實現了多引物擴增，即先進行初級RCA反應產生超長DNA單鏈，然后以初級RCA產物為模板進行多級反應。在此基礎上，發展了基于RCA產物DNA鏈間雜交的物理交聯DNA水凝膠，實現了骨髓間充質干細胞的特異性高效捕獲、三維包封和酶促可控無損釋放。進一步，通過引入納米功能基元，利用DNA鏈與功能基元的雜化構建了DNA雜合水凝膠。通過調變功能基元，雜合DNA水凝膠展現出獨特的光學、磁學等性質。基于這一合成策略，制備了具有超軟超彈性和磁性的雜合DNA水凝膠，實現了受限空間內活細胞的無損遞送。

圖1. 基于酶促滾環擴增反應的DNA水凝膠制備策略示意圖

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41596-021-00621-2

  仰大勇課題組以生物大分子DNA為研究主線，聚焦DNA生物功能材料化學組裝與智能制造，并用于生命分析和疾病治療。課題組主頁：http://yanglab-dna.com/