合成生物|Science：携带DNA密码的水凝胶“生物”

约翰霍普金斯大学的化学工程师用DNA序列诱导了水凝胶的结构转变，展示了一个生产没有繁琐电线、电池或其他约束的“软”机器人和“智能”医疗器械的新策略。由Whiting 工程学院三名教职员工开发的高科技项目发表在9月15日发行的《Science》。

　　

 

团队成员报告说，他们使用了名叫“发夹”的特定DNA序列，让1厘米尺寸的水凝胶样品膨胀到100厘米。该反应能被另一种名为“终结发夹”的DNA序列终止。

 

控制材料改变形状

为了控制目标水凝胶在不同部位发生形状变化，研究人员从计算机领域找到了突破线索。他们采用了一种类似于制作微型复杂芯片的摄影构图技术（photo-patterning technique）。为了响应DNA的特定指令（如弯曲、折叠等），水凝胶的不同区域被埋入了不同的生物化学模式。

“DNA序列可看作是实体计算机代码，”化学和生物分子工程系教授David H. Gracias说。“就像电脑软件能指导特定任务一样，DNA序列也能指导材料按特定角度和位置弯折。”

“形状变化对生物来说非常重要，”他补充道。“比如从毛毛虫变为蝴蝶。”

2006年诞生的DNA折纸术（DNA origami）极大提升了研究者构建复杂DNA纳米结构的能力，其组装出的纳米结构的大小与复杂度可与天然生物分子机器相媲美。华人青年学者最新Science再发重要成果：从人工生化电路到DNA机器人

经过近10年的发展，基于DNA折纸术来组装和制备DNA纳米结构，并实现相应功能的技术日渐成熟。该项目的另一位通讯作者、同部门的助理教授Rebecca Schulman课题组的日常工作便是利用这项技术设计智能材料和设备。“我们对活细胞运用化学信号和化学能量来决定何时生长、何时移动非常着迷，”她说。“因此，我们想建造具有类似工作模式的机器。”

Thao (Vicky) Nguyen（音译：阮陶）博士是约翰霍普金斯大学高分子和生物材料的专家，也是本文的共同通讯作者，她为整个项目提供了关键技术。“利用计算机模拟，我们开发了一个将水凝胶膨大反应转化为形状改变反应的设计规则，”她说。

花和螃蟹

为了确认DNA控制水凝胶目标部位激活的能力，研究人员让DNA序列控制水凝胶“开花”。每朵“花”有两组“花瓣”，每组被设计成只对一种DNA序列有反应。用两种DNA序列处理时，所有花都做出合拢“花瓣”反应，单独用一种DNA序列处理，则对应的一组“花瓣”展开。

 

为了纪念学校所在的马里兰州的海鲜，研究小组还制作了水凝胶“螃蟹”，触角、蟹钳、腿等每个身体组成都能响应匹配的DNA序列展开或蜷缩。这只“螃蟹”在自动驱动状态下至少能“活”60天。

 

学校已为“DNA驱动水凝胶变形技术”申请了临时专利保护。该技术采用软性材料组装运动部件，将来可广泛地应用于智能材料、变形装置、复杂程序执行器等领域，在海洋、医学、自主机器人方面发挥作用。

原文标题：DNA sequence–directed shape change of photopatterned hydrogels via high-degree swelling