《Science》：攜帶DNA密碼的水凝膠「生物」

約翰霍普金斯大學的化學工程師用DNA序列誘導了水凝膠的結構轉變，展示了一個生產沒有繁瑣電線、電池或其他約束的「軟」機器人和「智能」醫療器械的新策略。由Whiting 工程學院三名教職員工開發的高科技項目發表在9月15日發行的《Science》。

團隊成員報告說，他們使用了名叫「髮夾」的特定DNA序列，讓1厘米尺寸的水凝膠樣品膨脹到100厘米。該反應能被另一種名為「終結髮夾」的DNA序列終止。

控制材料改變形狀

為了控制目標水凝膠在不同部位發生形狀變化，研究人員從計算機領域找到了突破線索。他們採用了一種類似於製作微型複雜晶元的攝影構圖技術（photo-patterning technique）。為了響應DNA的特定指令（如彎曲、摺疊等），水凝膠的不同區域被埋入了不同的生物化學模式。

「DNA序列可看作是實體計算機代碼，」化學和生物分子工程系教授David H. Gracias說。「就像電腦軟體能指導特定任務一樣，DNA序列也能指導材料按特定角度和位置彎折。」

「形狀變化對生物來說非常重要，」他補充道。「比如從毛毛蟲變為蝴蝶。」

2006年誕生的DNA摺紙術（DNA origami）極大提升了研究者構建複雜DNA納米結構的能力，其組裝出的納米結構的大小與複雜度可與天然生物分子機器相媲美。華人青年學者最新《Science》再發重要成果：從人工生化電路到DNA機器人

經過近10年的發展，基於DNA摺紙術來組裝和製備DNA納米結構，並實現相應功能的技術日漸成熟。該項目的另一位通訊作者、同部門的助理教授Rebecca Schulman課題組的日常工作便是利用這項技術設計智能材料和設備。「我們對活細胞運用化學信號和化學能量來決定何時生長、何時移動非常著迷，」她說。「因此，我們想建造具有類似工作模式的機器。」

Thao (Vicky) Nguyen（音譯：阮陶）博士是約翰霍普金斯大學高分子和生物材料的專家，也是本文的共同通訊作者，她為整個項目提供了關鍵技術。「利用計算機模擬，我們開發了一個將水凝膠膨大反應轉化為形狀改變反應的設計規則，」她說。

花和螃蟹

為了確認DNA控制水凝膠目標部位激活的能力，研究人員讓DNA序列控制水凝膠「開花」。每朵「花」有兩組「花瓣」，每組被設計成只對一種DNA序列有反應。用兩種DNA序列處理時，所有花都做出合攏「花瓣」反應，單獨用一種DNA序列處理，則對應的一組「花瓣」展開。

為了紀念學校所在的馬里蘭州的海鮮，研究小組還製作了水凝膠「螃蟹」，觸角、蟹鉗、腿等每個身體組成都能響應匹配的DNA序列展開或蜷縮。這隻「螃蟹」在自動驅動狀態下至少能「活」60天。

學校已為「DNA驅動水凝膠變形技術」申請了臨時專利保護。該技術採用軟性材料組裝運動部件，將來可廣泛地應用於智能材料、變形裝置、複雜程序執行器等領域，在海洋、醫學、自主機器人方面發揮作用。

原文標題

DNA sequence–directed shape change of photopatterned hydrogels via high-degree swelling

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