研究 DNA 灵活性以创造新的生物材料

根据《科学进展》发表的一项研究，西北大学的研究人员已经证明了如何通过操纵 DNA 化学来改变其结构和灵活性，以及​​如何实现可用于医学和生命科学的新材料。

该团队由 Chad Mirkin 博士领导，他是血液学和肿瘤学系医学教授、西北大学温伯格文理学院 George B. Rathmann 化学教授、国际纳米技术研究所所长。

米尔金实验室研究生兼这项研究的主要作者 Zhenyu (Henry) Han 说道：“这项研究作为一项原理验证，展示了研究人员如何策略性地设计和准备 DNA 系统，这些系统的结构可以进行切换，以实现具有不同形状、灵活性和反应性的架构。”

在DNA 转录等生物过程中，DNA 可以通过 DNA 环化过程弯曲形成一个环。这使得 DNA 能够以线性、棒状 DNA 链无法实现的方式与周围的蛋白质相互作用。

在当前的研究中，研究人员利用化学设计来定制决定 DNA 环化的条件，以便更好地了解自然过程如何发生，并创建由具有不寻常形式的 DNA 和蛋白质组成的新生物材料。

米尔金说：“我们并不关注 DNA 作为生命蓝图的遗传作用，而是感兴趣的探索如何将 DNA 用作可编程的结构元素，以实现纳米级材料(包括自然界中发现的物质，如蛋白质)之间的可逆键合相互作用。”

首先，米尔金实验室的科学家设计并准备了 DNA 链——DNA 碱基腺嘌呤、胞嘧啶、鸟嘌呤和胸腺嘧啶连接在一起的序列。当两个互补的单链 DNA 分子结合在一起形成双链分子或 DNA 螺旋时，就会发生 DNA 杂交——腺嘌呤与胸腺嘧啶结合，胞嘧啶与鸟嘌呤结合。科学家将一个或多个未杂交的碱基插入序列中，使 DNA 链更加灵活，形成环状结构。

韩说：“我们发现，如果我们引入哪怕只有一个未配对的 DNA 碱基的区域，DNA 就会变得更加灵活，并能形成圆形。”

科学家们还发现，通过引入与这些最初不成对的区域结合的 DNA 链，DNA 环会解开，形成更长、更线性、更刚性的聚合物链。通过移除这些互补链，科学家们可以轻松地将系统中的 DNA 恢复到环状结构。

总体而言，这些研究结果凸显了 DNA 作为可编程构建块的实用性，可用于构建动态聚合物和纳米级材料，如纤维、凝胶和塑料，或用 DNA 设计的胶体晶体，这些都是 Mirkin 实验室在过去 30 年中率先开展的。

此外，米尔金表示，这些发现凸显了 DNA 化学可用于操纵实验室和生物系统中分子间反应的广泛性。

“从纳米技术的角度来看，我们可以利用 DNA 合成独特而有用的材料，并编程无机纳米颗粒和蛋白质等其他生物分子的组织，”米尔金说。“我们正在更多地了解我们周围的世界，并利用这些知识制造最终将对人类产生积极影响的生物材料。”