“跨界明星”DNA 實力“圈粉”材料科學(xué)家

于紫月

提及DNA（脫氧核糖核酸），我們首先想到的往往是遺傳。誠然，在傳統(tǒng)生物學(xué)中，DNA的主要功能是將遺傳信息從親代傳遞給子代，以保證生物體的某種特征延續(xù)性存在。

但在一些材料學(xué)家的眼里，本質(zhì)為核酸的DNA不再是神秘的生命密碼，而是合成某種生物材料的最基本單元。這類生物材料因由DNA分子“搭建”而成，故稱DNA材料。

不得不承認(rèn)，生物本身充滿了未知，包括DNA材料在內(nèi)的生物材料也存在無限可能。近日，來自美國康奈爾大學(xué)、中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所（以下簡稱中科院納米所）、上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬仁濟醫(yī)院（以下簡稱仁濟醫(yī)院）的研究人員合成了一種可以自主運動的DNA材料，其運動形式還可受人為調(diào)控。該項成果作為當(dāng)期封面文章，發(fā)表在《科學(xué)·機器人》雜志上。

空間移動肉眼可見DNA成材料界“流量擔(dān)當(dāng)”

DNA為雙螺旋結(jié)構(gòu)，每一個螺旋單位上“掛載”著堿基，造就了DNA的特異性。很多科學(xué)家就是基于此，挖掘出了它的組裝能力，即通過DNA堿基互補配對，“長”成穩(wěn)定、可設(shè)計的結(jié)構(gòu)。

“以DNA為基元，通過人為設(shè)計，從化學(xué)、工程等角度挖掘這一生命物質(zhì)的應(yīng)用潛力，已經(jīng)被越來越多的研究者所關(guān)注。”上述文章的作者之一、中科院納米所納米—生物界面重點實驗室副研究員甘明哲在接受筆者采訪時表示，DNA不再僅僅是一種納米級的生物分子。

作為目前熱門的DNA拓展應(yīng)用場景，“DNA材料的生物相容性非常好，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域大有前景。DNA材料的另一大優(yōu)勢在于不同的核酸混合排列時，合成的材料性能千變?nèi)f化，就像一座富礦，等待人們?nèi)ヌ剿鳌！痹诟拭髡芸磥恚S著DNA合成技術(shù)及理論計算領(lǐng)域的不斷進步，DNA材料儼然成了材料界的“流量明星”，吸引著越來越多的科研人員投身對其的研究開發(fā)中。

除了通過改變DNA的空間排列等方法構(gòu)建出多樣的DNA材料以外，科學(xué)家們還在汲汲探索DNA材料這位“跨界明星”的其他非遺傳特性。如今，研究人員合成了一種能夠進行肉眼可見的“空間移動”DNA材料，這相比一般的刺激響應(yīng)更接近生命的特性，研究人員稱之為“類生命材料”。

意外創(chuàng)造類生命材料能像魚兒一樣“游動”

很多促進人類科學(xué)進步的發(fā)現(xiàn)都源于一次意外，比如青霉素、X射線。

與類生命材料的“邂逅”也是一個意外。甘明哲告訴筆者，研究團隊當(dāng)時正利用超膠對病毒核酸進行檢測。超膠是一種自然界中不存在的人工合成DNA材料，置于水中呈固態(tài)，脫離水后又呈現(xiàn)液態(tài)，研究人員本想挖掘它在生物檢測方面的潛力。

有意思的是，他們卻興奮地發(fā)現(xiàn)，微流體芯片里的超膠的生成方式出乎意料地發(fā)生了改變。如果把直徑約100微米的頭發(fā)絲縮小10倍，做成直徑10微米的微型管道，“水若在該管道中流動便成了微流體，其特有的平行流動方式——層流，與常見的液體流動有顯著區(qū)別，也就衍生出了特異的流場。”甘明哲說。

“我們發(fā)現(xiàn)，該DNA材料的生成與微流體的層流特性呈現(xiàn)出一定的相關(guān)性。通過改變管道的流場參數(shù)，可以控制超膠在特定的空間位置合成;如果改變微流體中酶的濃度和種類，則可改變超膠的自主合成和分解的速度。”甘明哲表示，這就實現(xiàn)了對該材料合成的空間、時間兩方面的人為調(diào)控。

“新的物質(zhì)不斷生成，舊的物質(zhì)不斷被分解，這很像生物獨有的新陳代謝。”在甘明哲看來，代謝是使生命存活的關(guān)鍵過程，在合成、分解代謝的平衡中維持了DNA材料的穩(wěn)定存在與更新，這十分類似于生命的特征。“我們在實驗室里重現(xiàn)了以這種類似生命新陳代謝的‘人工新陳代謝方式制造DNA材料的過程。”

更加有趣的是，作為一種DNA材料，它在微流體中相關(guān)酶的作用下，其“人工新陳代謝”總是在前端合成、后端分解，總體來看，這種長達(dá)幾毫米的超膠就像水里的魚一樣發(fā)生了“游動”，且肉眼可辨。這條“魚”還十分“頑強”，與科研人員預(yù)計的不同，其“運動”的方向并非“順流而下”，而是與微流體的流動方向相反，即“逆流而上”。

“正如人需要在有氧的空氣環(huán)境中進行新陳代謝，這種類生命材料需要從微流系統(tǒng)中獲得‘營養(yǎng)，實現(xiàn)‘人工新陳代謝，從而進行自主運動。”該文章通訊作者之一、美國康奈爾大學(xué)生物和環(huán)境工程學(xué)院教授羅丹表示。

不用看細(xì)胞“臉色”蛋白質(zhì)合成的下一個“寶藏”

當(dāng)被問及這種類生命材料在現(xiàn)實生活中有何用處的時候，甘明哲表示：“這只是個開端，該材料目前可模擬生命的新陳代謝，未來或許能夠展現(xiàn)出更多類似生命的特征，如生物獨有的進化。”

生物學(xué)中，DNA復(fù)制時可能產(chǎn)生突變，從而創(chuàng)造出進化的契機。“該材料同樣擁有著這樣的可能性。”甘明哲設(shè)想，也許在今后的研究中可能會出現(xiàn)環(huán)境自適應(yīng)等特征，最終能夠獲得真正意義上定向進化的生物材料。

或許進化更多的是靠運氣，但有些方向卻能靠科學(xué)家的“實力”去實現(xiàn)。在甘明哲看來，該類材料的無細(xì)胞蛋白合成能力是下一步可以著手開發(fā)的“寶藏”。

蛋白質(zhì)是很多藥物、疫苗的基本成分，目前，蛋白質(zhì)的合成通常由培養(yǎng)的細(xì)胞來完成，生產(chǎn)蛋白的種類、產(chǎn)量和質(zhì)量嚴(yán)格受到細(xì)胞調(diào)控，也就是說，要把細(xì)胞“伺候好”。然而，在目前技術(shù)條件下，有相當(dāng)數(shù)量的蛋白產(chǎn)不產(chǎn)、產(chǎn)多少完全看細(xì)胞“高不高興”，如一些膜蛋白、毒性蛋白、代謝調(diào)節(jié)蛋白等。DNA材料本身就可以指導(dǎo)蛋白質(zhì)的合成，即采用類生命材料可以越過細(xì)胞的限制，直接生產(chǎn)蛋白質(zhì)。科研人員已經(jīng)初步實踐了這種方式，幾毫米長的超膠在無細(xì)胞系統(tǒng)中生產(chǎn)出了大量的活性蛋白質(zhì)。

“該材料的生物檢測能力也未來可期。”甘明哲說。

與最開始的那次測量熒光強度的方法不同，“人工新陳代謝”能力驅(qū)動的類生命材料的自主運動能夠在二維平面上實現(xiàn)材料圖案的變化，且未來有望推廣到三維結(jié)構(gòu)變化。通過產(chǎn)生不同樣式的圖案，甚至是肉眼可見的形狀變化來判定檢測結(jié)果。“這將是未來便攜化、精準(zhǔn)化、智能化生物檢測手段的一個探索方向。”甘明哲說。

“我們的研究還處于雛形階段，現(xiàn)階段為創(chuàng)制新型DNA材料提供了一種研究方向，但我相信，這種類生命材料的未來將不可限量。”文章作者之一、仁濟醫(yī)院副研究員劉培峰說。