可编程DNA-无机杂化晶体的可逆形变及其跨尺度调控研究

《Nature Nanotechnology》：Reversible metamorphosis of hierarchical DNA–inorganic crystals

本研究针对微纳尺度动态形变材料的设计难题，开发了具有花瓣状结构的DNA-无机杂化晶体。通过pH响应型DNA聚合物的空间排布调控，实现了晶体形状的可逆弯曲与收缩，并成功应用于级联酶反应调控和信息加密系统，为智能生物材料设计提供了新范式。

　　

生命系统通过大分子结构复合物的可逆形成实现局部形变。本研究报道了一种具有预设形变模式的花状DNA-无机杂化晶体（DNA–inorganic hybrid crystals），其花瓣能够可逆地收缩和弯曲。通过非模板化的DNA聚合技术，将pH响应单元（pH-responsive blocks）与惰性模块（inert blocks）进行组合，实现了DNA在花状晶体中的层级组装与空间定位。实验与模拟结果表明，花瓣内部DNA链（intraflower DNA strands）在pH刺激下的可逆折叠驱动了晶体重构。值得注意的是，这些收缩性DNA基元（contractile DNA motifs）在亚花瓣尺度的空间分布决定了形变模式的具体表现形式。当微米级花朵（microscale flowers）开合时，其纳米级晶体结构也发生可逆变化，表明机械形变（mechanical metamorphosis）可在多个尺度层级间传导。这种对环境变化的适应性成功激活了区室化酶（compartmentalized enzymes）的级联生物催化反应（cascaded biocatalytic reactions），并实现了凝胶加密信息的可视化读取。通过进一步优化DNA聚合物序列、亚晶体定位及其可逆折叠特性，本研究推动了一类新型有机-无机形变材料（organic–inorganic shape-shifters）的发展。