近日，上海交通大學(xué)自動化與感知學(xué)院張宏陸副教授團隊與農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院張歡副教授合作，在《Advanced Science》期刊上發(fā)表了題為“Engineering Liquid Hierarchical Materials with DNA-Programmed Spherical Nucleic Acids” (DNA 編程的球形核酸用于工程化構(gòu)建液態(tài)超材料)的最新研究成果。
 

　　該工作提出了一種通用、高效的DNA可編程納米結(jié)構(gòu)構(gòu)建方法，首次實現(xiàn)了通過多價球形核酸(Spherical Nucleic Acids, SNAs)構(gòu)建液態(tài)金屬納米凝聚體，為開發(fā)具備響應(yīng)性、智能化的新型軟物質(zhì)材料提供了全新思路。這一研究成果對于未來在柔性電子、生物傳感、納米操控和智能診療系統(tǒng)中的應(yīng)用具有廣泛潛力。
 

　　研究背景
 

　　在電子信息技術(shù)的發(fā)展中，從集成電路的三維封裝到柔性可穿戴器件，材料的微納尺度結(jié)構(gòu)設(shè)計正變得越來越關(guān)鍵。自然界中復(fù)雜有序的多尺度結(jié)構(gòu)為工程材料設(shè)計提供了啟發(fā)，例如細胞膜、蛋白質(zhì)復(fù)合體等均由層級組織構(gòu)成。然而，傳統(tǒng)研究主要集中在“固態(tài)”材料，如晶體、超晶格等結(jié)構(gòu)體，而在“液態(tài)”狀態(tài)下實現(xiàn)同樣復(fù)雜的構(gòu)建，仍面臨諸多挑戰(zhàn)。
 

　　DNA 作為天然的可編程分子，具備高度編程性和空間結(jié)構(gòu)可控性，可被用于構(gòu)建納米元器件，并被廣泛應(yīng)用于生物電子、生物計算與信息存儲等領(lǐng)域。然而，將這種編程能力拓展至液態(tài)材料體系，并實現(xiàn)精確調(diào)控和多功能集成，尚屬首次嘗試。
 

　　創(chuàng)新成果
 

　　本研究提出了一種通用且高效的SNA組裝方法。該方法可在無需特定序列修飾的情況下，將多種類型和拓撲結(jié)構(gòu)的核酸分子(包括隨機序列 DNA、環(huán)狀 DNA、單導(dǎo) RNA、信使 RNA 等)快速組裝到金納米顆粒表面，形成高密度、穩(wěn)定的 SNAs(如圖1a所示)。組裝過程基于丁醇誘導(dǎo)的局部脫水與物理濃縮機制，突破了傳統(tǒng)對聚腺苷酸(polyA)或巰基修飾的依賴。在此基礎(chǔ)上，研究團隊進一步探究了 DNA“鍵”的空間分布與機械剛性對 SNA 多級組裝效率的影響，結(jié)果表明，結(jié)合位點的構(gòu)型和柔韌性是實現(xiàn)精確可控層級結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素(如圖1b所示)。
 

圖1 通用的SNA組裝策略及其精準構(gòu)型調(diào)控
 

　　通過引入液-液相分離機制，研究人員成功構(gòu)建了微米尺度的液滴狀金屬凝聚體超材料(如圖2所示)。這些液滴在溶液中表現(xiàn)出典型的液態(tài)行為，包括可融合性和動態(tài)重構(gòu)能力。更重要的是，金屬核增強了其對光的吸收，使其在激光照射下表現(xiàn)出顯著的光熱響應(yīng)能力。細胞實驗表明，SNA 凝聚體可被細胞有效吞噬，并在激光激發(fā)下引發(fā)細胞形態(tài)的顯著改變，展現(xiàn)出潛在的腫瘤光熱治療功能。
 

圖2 DNA編程構(gòu)筑的液態(tài)金屬凝聚體超材料
 

　　研究意義
 

　　這項研究突破了傳統(tǒng)固態(tài)材料構(gòu)建的局限，首次將DNA的可編程特性引入柔性液態(tài)材料體系，為構(gòu)建具備自組織和自調(diào)節(jié)能力的下一代智能響應(yīng)材料奠定了基礎(chǔ)。該成果不僅為仿生液態(tài)材料的設(shè)計提供了新路徑，也為開發(fā)具備環(huán)境感知、生物響應(yīng)和功能集成的新型生物功能平臺開辟了新范式。