發布日期：2019-05-15
以DNA為(wei)(wei)基元，通過人(ren)為(wei)(wei)設計，從化學、工程等角度挖掘這一生命物質的應用(yong)潛力(li)，已經被越(yue)來越(yue)多的研(yan)究(jiu)者(zhe)所關注。
提及(ji)DNA（脫氧核(he)糖核(he)酸），我們首(shou)先(xian)想到(dao)的(de)往(wang)往(wang)是(shi)遺(yi)傳(chuan)。誠然，在傳(chuan)統生(sheng)物(wu)學中，DNA的(de)主要功(gong)能是(shi)將(jiang)遺(yi)傳(chuan)信(xin)息從親代(dai)(dai)傳(chuan)遞給(gei)子(zi)代(dai)(dai)，以保證生(sheng)物(wu)體的(de)某種特(te)征延續性存在。
但在(zai)一些材(cai)(cai)料(liao)(liao)學(xue)家的(de)眼(yan)里，本(ben)質(zhi)為核酸的(de)DNA不(bu)再是神(shen)秘的(de)生(sheng)(sheng)命密碼，而是合成(cheng)某(mou)種生(sheng)(sheng)物(wu)材(cai)(cai)料(liao)(liao)的(de)最基本(ben)單(dan)元。這類生(sheng)(sheng)物(wu)材(cai)(cai)料(liao)(liao)因由DNA分(fen)子“搭建”而成(cheng)，故稱DNA材(cai)(cai)料(liao)(liao)。
不(bu)得不(bu)承(cheng)認，生物(wu)本身充(chong)滿了(le)未知，包(bao)括DNA材料(liao)(liao)在內的(de)生物(wu)材料(liao)(liao)也存在無(wu)限可(ke)能。近日，來自(zi)美(mei)國康奈爾大學、中國科(ke)學院(yuan)(yuan)(yuan)蘇州納米(mi)技術與納米(mi)仿生研(yan)究所(suo)（以下簡稱(cheng)(cheng)中科(ke)院(yuan)(yuan)(yuan)納米(mi)所(suo)）、上海(hai)交通大學醫學院(yuan)(yuan)(yuan)附屬仁濟醫院(yuan)(yuan)(yuan)（以下簡稱(cheng)(cheng)仁濟醫院(yuan)(yuan)(yuan)）的(de)研(yan)究人(ren)員合成了(le)一種可(ke)以自(zi)主運動的(de)DNA材料(liao)(liao)，其運動形(xing)式(shi)還(huan)可(ke)受(shou)人(ren)為(wei)調(diao)控。該(gai)項成果作為(wei)當期封面(mian)文章，發表(biao)在《科(ke)學·機器人(ren)》雜志上。
空間移動肉眼可見 DNA成材料界“流量擔當”
DNA為(wei)雙螺(luo)旋結構(gou)，每一個(ge)螺(luo)旋單位(wei)上“掛載”著堿基，造就(jiu)了(le)DNA的特異(yi)性。很多科(ke)學家就(jiu)是基于此，挖(wa)掘出了(le)它的組(zu)裝能(neng)力，即(ji)通過DNA堿基互補配對，“長”成穩定、可(ke)設計的結構(gou)。
“以DNA為基(ji)元，通過人為設計，從(cong)化學、工程等角度(du)挖掘這(zhe)一生命(ming)物(wu)(wu)質的(de)應用潛力，已經被越來越多的(de)研(yan)究(jiu)者(zhe)所(suo)關(guan)注(zhu)。”上述(shu)文章的(de)作者(zhe)之一、中科(ke)院納米(mi)所(suo)納米(mi)—生物(wu)(wu)界(jie)面重點實驗(yan)室副研(yan)究(jiu)員甘明哲(zhe)在(zai)接(jie)受(shou)科(ke)技日報(bao)記者(zhe)采訪時表示，DNA不再僅僅是一種納米(mi)級(ji)的(de)生物(wu)(wu)分子(zi)。
作為目前(qian)(qian)熱門的(de)(de)DNA拓展應(ying)用場景，“DNA材(cai)料(liao)的(de)(de)生物相容性(xing)非常好，在醫(yi)學領(ling)域(yu)大(da)有(you)前(qian)(qian)景。DNA材(cai)料(liao)的(de)(de)另一大(da)優勢在于不(bu)同的(de)(de)核酸混(hun)合排(pai)列時(shi)，合成(cheng)的(de)(de)材(cai)料(liao)性(xing)能千變萬(wan)化，就像(xiang)一座富礦，等待人們(men)去探索。”在甘(gan)明(ming)哲看來，隨著(zhu)DNA合成(cheng)技術及(ji)理論計算領(ling)域(yu)的(de)(de)不(bu)斷進步，DNA材(cai)料(liao)儼然成(cheng)了材(cai)料(liao)界的(de)(de)“流量明(ming)星”，吸引著(zhu)越(yue)來越(yue)多的(de)(de)科研(yan)人員(yuan)投身對其(qi)的(de)(de)研(yan)究開發中。
除(chu)了通過改(gai)變DNA的(de)空間排列等方法構建出多樣的(de)DNA材(cai)料以外，科學家們還在汲汲探索(suo)DNA材(cai)料這(zhe)位“跨(kua)界(jie)明星”的(de)其(qi)他(ta)非(fei)遺傳(chuan)特(te)性(xing)。如今，研究人員合(he)成了一種(zhong)能(neng)夠進(jin)行肉眼可見的(de)“空間移動”DNA材(cai)料，這(zhe)相比一般的(de)刺(ci)激響應更(geng)接近生(sheng)命(ming)的(de)特(te)性(xing)，研究人員稱(cheng)之為“類生(sheng)命(ming)材(cai)料”。
意外創造類生命材料 能像魚兒一樣“游動”
很多促進人類科學進步的(de)發現(xian)都(dou)源于一次(ci)意(yi)外，比如(ru)青霉素、X射線。
與類生命材料的“邂逅”也(ye)是(shi)一個意外(wai)。甘明哲告訴(su)記者，研究團隊當時(shi)正(zheng)利用超(chao)膠(jiao)(jiao)對(dui)病(bing)毒核酸進(jin)行檢測(ce)。超(chao)膠(jiao)(jiao)是(shi)一種自然界中不(bu)存在(zai)的人工合成(cheng)DNA材料，置于水(shui)中呈固態(tai)，脫離水(shui)后又呈現液態(tai)，研究人員本想(xiang)挖掘它在(zai)生物檢測(ce)方面的潛力。
有意思的(de)是(shi)，他(ta)們卻興奮地(di)發(fa)現，微流體芯(xin)片里的(de)超膠(jiao)的(de)生成方式(shi)出乎(hu)意料地(di)發(fa)生了改變。
如果把直(zhi)徑(jing)約100微(wei)米的(de)頭發絲縮小10倍，做成直(zhi)徑(jing)10微(wei)米的(de)微(wei)型管(guan)道，“水若在該管(guan)道中流動便成了(le)微(wei)流體(ti)，其(qi)特(te)有的(de)平行流動方式(shi)——層流，與(yu)常見的(de)液體(ti)流動有顯著區(qu)別，也就衍生出了(le)特(te)異的(de)流場。”甘明哲說。
“我們發現(xian)，該(gai)DNA材料的(de)生成與微流體(ti)的(de)層流特(te)性呈現(xian)出(chu)一定的(de)相關性。通過改變管道的(de)流場參數，可以控(kong)制超膠(jiao)在(zai)特(te)定的(de)空間位置合成；如果改變微流體(ti)中酶的(de)濃度(du)和種類，則可改變超膠(jiao)的(de)自主合成和分(fen)解的(de)速度(du)。”甘明(ming)哲表(biao)示，這就實現(xian)了對該(gai)材料合成的(de)空間、時間兩(liang)方面的(de)人為(wei)調控(kong)。
“新的(de)物質不斷生(sheng)成，舊的(de)物質不斷被(bei)分(fen)解(jie)，這(zhe)(zhe)很像生(sheng)物獨(du)有的(de)新陳代(dai)謝(xie)。”在(zai)(zai)甘明(ming)哲看來，代(dai)謝(xie)是使生(sheng)命存活的(de)關鍵過程(cheng)，在(zai)(zai)合成、分(fen)解(jie)代(dai)謝(xie)的(de)平衡中維持了DNA材(cai)料的(de)穩(wen)定(ding)存在(zai)(zai)與更新，這(zhe)(zhe)十分(fen)類似于(yu)生(sheng)命的(de)特征。“我們(men)在(zai)(zai)實驗室里重現了以這(zhe)(zhe)種類似生(sheng)命新陳代(dai)謝(xie)的(de)‘人工新陳代(dai)謝(xie)’方式(shi)制造DNA材(cai)料的(de)過程(cheng)。”
更加有趣的(de)(de)(de)是(shi)，作(zuo)為(wei)一(yi)種DNA材料，它在微流體中相關酶的(de)(de)(de)作(zuo)用下，其“人工新陳代謝”總是(shi)在前端(duan)合成、后(hou)端(duan)分(fen)解，總體來看(kan)，這種長達幾毫米的(de)(de)(de)超膠(jiao)就像水里的(de)(de)(de)魚一(yi)樣發(fa)生了“游(you)動”，且肉(rou)眼可辨。這條“魚”還十分(fen)“頑強”，與(yu)科研(yan)人員(yuan)預計(ji)的(de)(de)(de)不同，其“運動”的(de)(de)(de)方向并非“順流而(er)下”，而(er)是(shi)與(yu)微流體的(de)(de)(de)流動方向相反，即(ji)“逆(ni)流而(er)上(shang)”。
“正如人(ren)需要在有氧(yang)的空(kong)氣環境(jing)中(zhong)進行新陳代(dai)謝，這種類生命材料(liao)需要從(cong)微流系統中(zhong)獲得‘營養’，實(shi)現(xian)‘人(ren)工新陳代(dai)謝’，從(cong)而進行自主運動。”該文(wen)章通訊作(zuo)者之一、美國康奈(nai)爾(er)大學(xue)生物和環境(jing)工程學(xue)院教授羅丹表示。
不用看細胞“臉色” 蛋白質合成的下一個“寶藏”
當(dang)被問及(ji)這種類(lei)(lei)生命材料(liao)在現實生活中有(you)何用處的(de)(de)(de)時(shi)候，甘(gan)明(ming)哲表(biao)示：“這只(zhi)是個開端，該材料(liao)目(mu)前可模擬(ni)生命的(de)(de)(de)新陳(chen)代謝，未來或許能夠展(zhan)現出更多類(lei)(lei)似(si)生命的(de)(de)(de)特征，如(ru)生物獨有(you)的(de)(de)(de)進化。”
生(sheng)物(wu)學中(zhong)，DNA復(fu)制(zhi)時可(ke)能(neng)產生(sheng)突變(bian)，從而創造出進化(hua)的契機。“該(gai)材料同樣擁有著這樣的可(ke)能(neng)性(xing)。”甘明哲設(she)想，也(ye)許在今后的研究中(zhong)可(ke)能(neng)會出現環(huan)境自適應等特征，最終(zhong)能(neng)夠獲得真正意義(yi)上定向進化(hua)的生(sheng)物(wu)材料。
或許進化更多的(de)(de)是靠(kao)運氣(qi)，但有(you)些方(fang)向卻能靠(kao)科(ke)學家的(de)(de)“實力(li)(li)”去實現。在甘(gan)明(ming)哲(zhe)看來，該類材料的(de)(de)無細胞蛋白合成能力(li)(li)是下(xia)一步可以(yi)著手開發的(de)(de)“寶藏(zang)”。
蛋(dan)(dan)(dan)白質(zhi)是很多藥物、疫(yi)苗的(de)(de)基本成(cheng)(cheng)分，目前(qian)，蛋(dan)(dan)(dan)白質(zhi)的(de)(de)合成(cheng)(cheng)通常由培養的(de)(de)細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)來(lai)完成(cheng)(cheng)，生產(chan)(chan)蛋(dan)(dan)(dan)白的(de)(de)種類、產(chan)(chan)量和質(zhi)量嚴格受到細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)調(diao)(diao)控，也(ye)就是說(shuo)，要把細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)“伺候好”。然而，在目前(qian)技(ji)術條件下，有相當數量的(de)(de)蛋(dan)(dan)(dan)白產(chan)(chan)不產(chan)(chan)、產(chan)(chan)多少完全看細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)“高不高興”，如一些(xie)膜蛋(dan)(dan)(dan)白、毒性蛋(dan)(dan)(dan)白、代謝調(diao)(diao)節蛋(dan)(dan)(dan)白等。DNA材料(liao)本身(shen)就可以(yi)指導蛋(dan)(dan)(dan)白質(zhi)的(de)(de)合成(cheng)(cheng)，即(ji)采用(yong)類生命材料(liao)可以(yi)越(yue)過細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)的(de)(de)限制，直接生產(chan)(chan)蛋(dan)(dan)(dan)白質(zhi)。科研(yan)人員已經初步實踐(jian)了這種方(fang)式，幾毫米長的(de)(de)超膠在無細(xi)(xi)胞(bao)(bao)(bao)系統(tong)中生產(chan)(chan)出了大量的(de)(de)活性蛋(dan)(dan)(dan)白質(zhi)。
“該材料(liao)的生物檢(jian)測能力也未(wei)來可期。”甘明哲說。
與最開始的(de)那(nei)次測量熒光強度(du)的(de)方(fang)法不同，“人工新(xin)陳代謝(xie)”能力(li)驅動(dong)的(de)類生命材(cai)料(liao)的(de)自主(zhu)運(yun)動(dong)能夠在(zai)二(er)維(wei)平(ping)面上實現材(cai)料(liao)圖案的(de)變化，且未來有望推廣到(dao)三維(wei)結(jie)構變化。通過產生不同樣式的(de)圖案，甚(shen)至是(shi)肉眼可見(jian)的(de)形狀(zhuang)變化來判定檢(jian)測結(jie)果。“這(zhe)將是(shi)未來便攜化、精準化、智能化生物檢(jian)測手(shou)段的(de)一個探索方(fang)向。”甘明哲說。
“我們的研究(jiu)(jiu)還處于雛形階段(duan)，現階段(duan)為創制新型DNA材料提供了一種研究(jiu)(jiu)方(fang)向，但我相(xiang)信(xin)，這(zhe)種類(lei)生命(ming)材料的未來(lai)將不可限量。”文章作者之一、仁(ren)濟醫院副研究(jiu)(jiu)員劉培峰說。
來源：科技日報
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