刘珏文《Angew》:基于DNA无修饰策略构建功能化水凝胶

来源：Angew

DNA水凝胶作为智能响应型生物材料，具有生物相容性好、稳定性高、可实现精准分子识别和可编程等特点，被广泛应用于药物递送、生物传感和疾病治疗等领域。其中，由有机单体（如丙烯酰胺）通过自由基聚合反应得到的水凝胶具有化学结构多样和制备简单等优势而备受关注。然而，由于目前用于构建水凝胶的DNA都需要经过化学修饰，如引入可聚合的双键或具有反应活性的氨基来实现嫁接目的，使得DNA的使用成本较为高昂。

为了解决这一问题，加拿大滑铁卢大学刘珏文教授课题组利用DNA本身的化学反应活性，开发了一种使用五聚腺嘌呤核苷酸（A5）序列作为嵌段引入任意序列的方法，实现A5-DNA序列在丙烯酰胺类水凝胶上的化学接合（图1A）。

图1. A5 DNA共价接入聚丙烯酰胺类水凝胶制备示意图

研究发现，低温冷冻（-20 °C）可将A5接入效率从室温的~10%提高至~75%（图2A）。相比其他的DNA序列和长度，A5的链接效率最高。凝胶电泳结果显示，这种接合是共价的（图2B）。作者推测在冰冻条件下，体系中液态水分子被转化成固态晶体，因而使得DNA和有机单体等其他分子的浓度大幅提升，且只能在冰晶间隙发生反应，促进了DNA与单体或水凝胶前驱体的接合（图2C）。机理研究表明，DNA很有可能是通过与体系中自由基进行反应实现共价链接。该方法中水凝胶的制备和DNA接入是通过一步法完成的，操作简便易行。

图2. （A）在不同温度条件（4 °C和-20 °C），A5 DNA在水凝胶中的接入效率对比；（B）凝胶电泳实验数据（采用15%dPAGE）；（C）冰冻环境有助于浓缩溶质进而促进DNA与丙烯酰胺类单体反应示意图

基于此，作者通过将A5作为嵌段引入到其他DNA序列末端，实现了对任意序列在水凝胶上的接合。首先，通过对比A5嵌段与常用化学修饰基团acrydite接入随机序列DNA的效率，两者均在40%左右，证明此DNA短链确实可以作为一种化学修饰手段替代。随后，将带有A5嵌段的随机序列和对Hg2+具有特异性的富T序列（图3A）分别接入水凝胶，并应用于特异性检测互补DNA和汞离子（图3B），分别得到了50 pM和10 nM的检测限，显示出A5-DNA功能化与acrydite-DNA功能化水凝胶一致的应用前景。

但值得注意的是，在冰冻条件下，为了确保化学反应仅发上在A5区域而非用于分子识别的DNA主序列上，与后者互补配对的DNA也需要在制备过程中引入以起到保护作用，后续再将其在热碱液中移除。该工作为制备DNA水凝胶提供了一个低成本的新方法，并加深了对科研工作者对DNA化学性质的认识。

图3. （A）带有A5嵌段的富T序列用于特异性结合Hg2+，形成T-Hg2+-T发卡结构。该双嵌段DNA功能化的水凝胶可用于检测Hg2+。（B）块状水凝胶对Hg2+的响应，其中荧光信号通过由SYBR Green I染料染色得到。

这一成果近期发表在Angewandte Chemie International Edition 上，文章的第一作者是滑铁卢大学博士研究生李雨晴。

论文链接;

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202102330