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DNA折纸（DNA origami）是一种实现纳米级折叠结构的强大方法。DNA折纸通常被用于构建精确且紧密折叠的物体，且往往产量较小，并在单分子尺度进行研究。在本研究中，研究人员利用DNA折纸方法设计和折叠具有复杂拓扑结构的聚合物，并在致密条件下研究其流变学和
DNA折纸（DNA origami）是一种实现纳米级折叠结构的强大方法。DNA折纸通常被用于构建精确且紧密折叠的物体，且往往产量较小，并在单分子尺度进行研究。在本研究中，研究人员利用DNA折纸方法设计和折叠具有复杂拓扑结构的聚合物，并在致密条件下研究其流变学和黏弹性（viscoelastic properties）。首先，研究人员设计并纯化了拓扑结构不同的DNA纳米结构——线形（linear）、环形（circular）和“蝌蚪”（tadpole）聚合物——以评估聚合物架构如何影响缠结（entanglement）和流变学行为。尽管这些结构具有不同的拓扑结构，但研究人员观察到所有构建体均遵循普适的流变学标度律（universal rheological scalings），这可能是由于其长度较短所致。然而，在体相中进行热退火（thermal annealing）后，DNA聚合物表现出显著不同的行为。研究结果表明，通过引入可逆且依赖拓扑结构的交联（crosslinking），DNA聚合物可用于工程化设计复杂流体中的热响应行为。
论文解读文章
一、研究背景与问题
聚合物拓扑结构对其物理性质具有深远影响。传统合成方法在制备具有精确控制复杂架构的聚合物时面临三大挑战：其一，合成路径繁琐且需要丰富的经验和专业知识；其二，从线形聚合物中纯化和分离架构复杂的聚合物并非易事；其三，即使存在少量线形链污染物，也往往足以主导溶液的流变学行为。环形聚合物（ring polymers）因其缺乏自由末端而不遵循熔体中成熟的蛇行动力学（reptation dynamics），并可展现出称为穿线程（threadings）的非常规拓扑约束。穿线程不同于线形聚合物中更传统的缠结，可在远高于体系玻璃化转变温度的条件下诱导动力学异质性和类玻璃行为。理论模拟和实验均表明，蝌蚪状拓扑聚合物（tadpole-like topological polymers）的致密溶液中穿线程现象丰富，可触发因该聚合物架构特有的层级约束而导致的协同减速效应。然而，纯蝌蚪状合成聚合物的合成仍是极为困难的任务，更高阶的拓扑聚合物设计在实现和纯化方面更具挑战。
为应对合成可规模化、具有精确定义复杂架构的纯拓扑聚合物的开放性挑战，本研究探索利用DNA折纸技术。研究聚焦于最简单的拓扑结构——DNA蝌蚪，优化了这些DNA聚合物的产率，并成功制备了浓度达10C*（重叠浓度的10倍）的蝌蚪聚合物溶液，使其处于缠结态范围内。
二、主要研究内容与结论
本研究首次将DNA折纸技术用于创建具有复杂拓扑结构的聚合物，并在高浓度下研究其流变学行为。研究发现，未观察到依赖拓扑结构的流变学行为，但通过热退火和淬火处理，观察到了可通过DNA订书钉（staples）的选择进行设计和编程的拓扑依赖性凝胶化路径。该研究提供了一种利用Watson–Crick碱基互补配对实现复杂架构聚合物的新途径，从而绕过了发明新合成路线的需要。
三、关键技术方法
研究人员主要采用了以下关键技术方法：
DNA折纸设计与制备：使用cadnano软件设计DNA纳米结构，以8064碱基长的单链DNA（ssDNA）噬菌体载体（M13mp18）作为骨架（scaffold），通过订书钉链的互补配对折叠形成线形、环形和蝌蚪（1/4、1/2和3/4）等不同拓扑结构。蝌蚪拓扑结构中包含6条“成环”订书钉（23–26碱基）用于稳定环状结构。
凝胶电泳分析：采用1.5%琼脂糖凝胶电泳（含MgCl?以维持DNA双链稳定性）分离不同拓扑结构，并通过ImageJ软件进行条带强度分析以估算DNA质量和产率。
原子力显微镜（AFM）表征：分别在空气和液体环境中对DNA拓扑结构进行单分子分辨率成像，确认各结构的正确折叠。
微流变学（microrheology）测量：在约5 μL样品中嵌入BSA包被的1.1 μm直径微球，通过记录微球的布朗运动（400 fps和2 fps视频），利用Stokes–Einstein关系计算溶液黏度，并通过广义Stokes–Einstein关系计算储能模量（G′）和损耗模量（G″）。
四、研究结果
2.1 蝌蚪拓扑DNA的合成
通过凝胶电泳观察到线形、环形和不同比例的蝌蚪（1/4、1/2和3/4）结构因环形组分的尺寸差异而以不同速度迁移，实现了有效分离。环形DNA拓扑样品估计含有约25%的线形污染。AFM成像进一步确认了各结构的正确合成。
2.2 溶液流变学与拓扑无关
基于近期计算和实验工作，研究人员预期蝌蚪致密溶液会表现出比线形和环形对应物显著更慢的动力学（即更高的黏度）。然而，微流变学测量结果显示，所有拓扑结构的零剪切黏度（η）和弹性平台模量数据在按拓扑特异性重叠浓度C*归一化后均塌缩到同一条主曲线上。研究发现η(C)线形 ～ C4.53±0.57，η(C)蝌蚪 ～ C4.02±0.48，η(C)环形 ～ C4.69±0.04，与半稀缠结态的理论预测标度η ～ C4.7吻合良好。弹性平台模量方面，G′(C)线形 ～ C2.69±0.19，G′(C)蝌蚪 ～ C3.79±0.10，G′(C)环形 ～ C2.40±0.47，蝌蚪数据略高于其他拓扑，可能归因于“成环”订书钉引起的骨架间相互作用或穿线程效应的萌芽。研究人员认为未观察到拓扑依赖性流变学行为的原因在于DNA结构长度有限——M13折纸骨架约8 kbp，每个聚合物最多经历3至4个缠结，不足以发展出深度穿线程状态。
2.3 通过热原位重构实现可编程凝胶化
研究人员意识到，在线形和环形设计中，所有订书钉都平铺骨架的连续区域，而蝌蚪设计中的重叠订书钉与骨架上两个不同且相距较远的位置互补，可能导致订书钉在不同骨架分子之间形成“桥接”。将线形和蝌蚪DNA溶液（分别低于和高于C）加热至70°C后冷却至室温，凝胶电泳显示线形结构在退火后不受影响，而蝌蚪结构出现了迁移较慢的条带，表明形成了更大的聚集体。AFM成像确认重折叠的蝌蚪形成了骨架网络。微流变学测量显示，线形拓扑的流变学不受原位重折叠影响；而蝌蚪拓扑在高于C时，原位重折叠后溶液黏度增加了约16倍，且MSD在整个记录时间范围内（约两分钟）表现出亚扩散行为，表明流体在这些时间尺度上呈现弹性、凝胶状行为。
2.4 通过订书钉竞争实现可逆凝胶化
研究人员利用DNA纳米结构的平衡性质（特别是链置换反应）来原位修饰溶液流变学。在已交联的蝌蚪溶液中引入大量过量的4条线形订书钉（最终浓度2 μM），凝胶电泳显示出现了与线形DNA结构迁移速度相同的条带，表明链置换反应发生。时间分辨微流变学测量显示，随着“老化”时间增加，示踪粒子的MSD增大，表明竞争链解除了网络缠结，样品黏度在2小时内下降约3倍。研究人员认为，这一效应归因于线形订书钉（36 bp）与蝌蚪“成环”订书钉（23–26 bp）之间的尺寸和几何失配，较短的成环订书钉稳定性较低，且蝌蚪结构松散，不像传统紧密折叠的折纸物体那样致密。
五、结论与讨论
本研究展示了DNA纳米结构可作为构建复杂“拓扑”聚合物的平台。虽然未观察到不同架构对样品流变学的显著影响（这归因于骨架DNA长度不足以产生深度穿线程效应），但样品黏度和弹性遵循经典聚合物理论预期标度律的事实，确认了DNA折纸技术可用于制造符合聚合物物理行为的类聚合物物体。更重要的是，利用DNA折纸结构的动态和可重构特性，研究展示了通过精心设计订书钉序列可实现流体热响应性——“成环”订书钉可桥接骨架并创建可通过订书钉序列、长度和沿骨架位置进行调控的物理交联。鉴于网络由DNA介导的交联构成，可通过引入竞争链在室温下利用链置换反应拆解网络。未来研究方向包括通过融合多个DNA折纸骨架构建更长的聚合物结构（16 kbp或32 kbp），或通过磷酸化订书钉5′末端并使用T7连接酶共价闭合双螺旋骨架以增加结构刚性，从而提高穿线程发生的可能性。
