顶刊动态 | Nature子刊/AM/Nano Letters/Angewandte等期刊生物材料最新学术进展汇总【160710期】

1、Nano Letters：用能对多刺激做出响应的DNA来可逆控制脂质体的组装

图1 用AZO修饰DNA（上）和用光、Mg2+以及温度控制脂质体可逆自组装的示意图（下）

DNA可以用来帮助其它颗粒实现可逆的自组装，自组装的过程可以通过温度、阳离子或者pH值控制，但是目前的自组装往往只通过一种因素来控制，能用几种因素来控制的自组装对于制造智能纳米结构非常重要。

最近，英国剑桥大学的Silvia Hernandez-Ainsa（通讯作者）等人报导了一种用紫外光、Mg2+和温度控制脂质体可逆自组装的方法。他们用偶氮苯（AZO，有顺式和反式两种构型，对脂质体的粘附力不同）来修饰单链DNA的一端，AZO可以吸附在脂质体上，而单链DNA可以通过碱基配对与其它单链DNA结合从而实现自组装（如上图）。这种自组装可以通过光照（改变AZO构型）和Mg2+浓度（改变单链DNA之间的结合强度）来可逆控制。他们还发现用双链DNA也可以实现自组装，这时自组装还可以通过温度来控制。

文献链接：Controlling the Reversible Assembly of Liposomes through a Multistimuli Responsive Anchored DNA（Nano Letters，2016，DOI: 10.1021/acs.nanolett.6b01618）

2、Nature Communications：有牢固界面和功能微结构的水凝胶-人造橡胶杂化材料

图2 水凝胶-人造橡胶杂化材料的制造过程

人造橡胶能够适应多种环境，并且很容易在它上面制造各种微结构；水凝胶的水含量非常高，能够透过各种化学药品以及生物分子，并且有很好的生物相容性和生物降解性。但是目前水凝胶和人造橡胶都是分开使用，而少数由它们组成的杂化材料的结合界面不牢固，并且在界面处制造微结构非常困难。

最近，麻省理工学院的Xuanhe Zhao（通讯作者）等人报导了一种可以简单获得牢固的水凝胶-人造橡胶结合界面的方法，这种界面非常牢固，并且很容易在界面处制造各种功能的微结构（如微流体通道、电路）。他们使用的水凝胶（物理交联的网络结构，并且里面含有可以交联成另一个网络的单体和交联剂，如图a）和人造橡胶（表面用苯甲酮处理，图b）都经过预成型，将它们结合后用紫外光照射就能获得牢固的界面（图c），并且不影响原来的微结构。这种方法能使用各种各样的水凝胶和人造橡胶，他们制造了防脱水水凝胶和柔性电路等。

文献链接：Skin-inspired hydrogel–elastomer hybrids with robust interfaces and functional microstructures（Nature Communications，2016，DOI: 10.1038/ncomms12028）

3、Advanced Materials：聚合物胶囊将药物定向运输到动脉粥样硬化斑块

图3 制备聚合物胶囊的过程

动脉粥样硬化斑块是造成心肌梗塞和中风的主要原因，目前使用的治疗方法要不是侵入式的（如植入导液管或者支架），要不得长期服用高剂量的药物。

最近，澳大利亚莫纳什大学的Christoph E. Hagemeyer（通讯作者）和墨尔本大学的Frank Caruso（通讯作者）等人证明由聚（2 -二异丙基丙烯酸甲酯）（PDPA）组成的聚合物胶囊能够在人类血清中降解（释放里面的药物），并且用聚-L-组氨酸修饰后还能增加它的稳定性（使其能到达病变区域），用有靶向功能的肽修饰胶囊后还能定向运输到动脉粥样硬化斑块。研究者先在CaCO3纳米颗粒上吸附一层治疗药物，然后再吸附一层PDPA，再将CaCO3去除就能得到胶囊。这种胶囊能定向运输药物，并且能够被降解，可以用来运输多种药物。

文献链接：Polymer Capsules for Plaque-Targeted In Vivo Delivery（Advanced Materials，2016，DOI: 10.1002/adma.201601754）

4、Chemical Reviews：有机生物电子设备——生物与技术沟通的桥梁

图4 细胞与电子设备之间的信号传输

我们使用的电子设备靠的是电子来导电，但是在生物系统中却更多的是依靠离子和分子来导电。由于独特的电子/离子导电性能，有机聚合物或者小分子已经成为实现生物和电子设备之间信号转化的工具，被广泛用在生物信号记录和生物调节上。

最近，瑞士林雪平大学的Magnus Berggren（通讯作者）等人回顾了有机生物电子设备的发展、目前的状况，以及对存在的困难和未来的发展方向提出了他们的看法。

文献链接：Organic Bioelectronics: Bridging the Signaling Gap between Biology and Technology（Chemical Reviews，2016，DOI: 10.1021/acs.chemrev.6b00146）

5、Nano Letters：插入单分子荧光团来研究DNA超螺旋运动

图5 DNA超螺旋的形成（A-D）以及对其成像（E-H）

DNA超螺旋在DNA复制和基因表达中扮演着重要作用，超螺旋能够改变DNA的三维结构，随后改变DNA的转录和对蛋白质的处理。但是，目前，科学家对DNA超螺旋的作用机制还不清楚。

最近，荷兰代尔夫特理工大学Elio Abbondanzieri（通讯作者）和 Cees Dekker（通讯作者）等人将一种叫做Sytox Orange（SxO）的染料分子插入DNA的碱基对之间来获得超螺旋，并且利用SxO自身发出的荧光来研究DNA超螺旋。他们首先将DNA的两端固定（图A-C），然后将SxO插入DNA的碱基对之间，SxO在DNA中产生应力从而生成超螺旋（图D），利用SxO发出的荧光他们研究了DNA超螺旋的位置、尺寸以及成核和扩散等运动。

文献链接：Intercalation-Based Single-Molecule Fluorescence Assay To Study DNA Supercoil Dynamics（Nano Letters，2016，DOI:10.1021/acs.nanolett.6b02213）

6、Angewandte：用螺旋折叠大分子模仿高稳定和高运输效率的跨膜通道

图6 人工合成的跨膜通道

细胞的脂质双层膜上的通道能选择性的高效运输离子和分子，但是人工合成具备这些性质的通道仍然非常困难。

最近，吉林大学的董泽元（通讯作者）和刘俊秋（通讯作者）等人制备了一种单分子跨膜通道。他们首先合成一种含有孔的螺旋分子，然后将这种分子嵌入脂质双层膜中形成跨膜通道。这种通道很稳定，有很高的运输效率，并且对不同离子的运输效率不同（阳离子的运输效率较高，不同阳离子的效率也不一样）。

文献链接：Biomimetic Transmembrane Channels with High Stability and Transporting Efficiency from Helically Folded Macromolecules（Angewandte Chemie，2016，DOI: 10.1002/anie.201604071）

7、ACS Nano：一步测定微RNA的含量

图7  MM1000-DNA-MN30 的制备方法

微RNA（miRNA）的异常表达会导致肿瘤的增长和转移，在癌细胞中都会有过量的miRNA，因此准确而快速的测定miRNA的含量对于诊断肿瘤以及了解肿瘤的治疗效果至关重要，但是目前的测定方法非常复杂。

最近，国家纳米科学中心的孙佳姝（通讯作者）和蒋兴宇（通讯作者）等人报导了一种只需一步就能快速而准确测定miRNA含量的方法。他们首先制备了MM1000-DNA-MN30 （MM1000和MN30分别代表直径为1000nm和30nm的磁性颗粒，DNA为单链DNA，如图a），当加入miRNA后，miRNA能够与DNA结合，这种结合体能与DSN（一种酶）反应，反应后DNA被破坏从而释放出miRNA和MN30，miRNA能够继续与DNA结合释放出更多的MN30。反应一段时间后将NM1000和MN30分离（游离MN30的含量与miRNA的含量有关），MN30会增强ΔT2信号，通过测量ΔT2的信号就能知道MN30的含量从而确定miRNA的含量。这种方法能测定含量为5fM的miR-21（一种miRNA），还能区分肿瘤和周围的正常组织，有望用于肿瘤诊断上。

文献链接：Quantitative Detection of MicroRNA in One Step via Next Generation Magnetic Relaxation Switch Sensing（ACS Nano，2016，DOI: 10.1021/acsnano.6b01903）

8、ACS Nano：用DNA纳米花使金纳米颗粒有序化

图8 DNA纳米花的制备以及用纳米花组成晶格的过程

有纳米结构的材料会拥有一些新的性质，金纳米颗粒可以组装成各种各样的结构。而用单链DNA（ssDNA）来修饰纳米颗粒则可以很方便的控制它们之间的相互作用。

最近，牛津大学的Andrew J. Turberfield（通讯作者）等人报导了一种利用DNA纳米花来获得各种金纳米颗粒晶格的方法。他们先将DNA支架与用ssDNA修饰的金纳米颗粒混合退火得到纳米花（DNA为花瓣，金纳米颗粒在花瓣的中心，如图b），然后用ssDNA修饰特定的花瓣（图g-i），ssDNA分为A和B两种，他们最后几个碱基的互补的（图f），最后将分别用A和B单链DNA修饰的纳米花按1:1混合退火就能得到不同的晶格，组装完成后还可以在金纳米颗粒上沉积金原子来改变纳米颗粒的尺寸。

文献链接：Ordering Gold Nanoparticles with DNA Origami Nanoflowers（ACS Nano，2016，DOI:10.1021/acsnano.6b03076）

9、Nano Letters：由DNA双螺旋组成的跨膜通道

图9 DNA跨膜通道（A）以及DNA的组成（B）

细胞膜上由蛋白质组成的跨膜通道对细胞的生命活动至关重要，这些通道是中空的，离子可以通过这些通道。

最近，英国剑桥大学的 Ulrich F. Keyser（通讯作者）、南安普顿大学的Eugen Stulz（通讯作者）和伊利诺伊大学的Aleksei Aksimentiev（通讯作者）等人证明由单个DNA双螺旋组成的跨膜通道也可以让离子通过。DNA通道的双链部分由19对碱基对组成，两端各有8个未配对的碱基，并且双链部分还用卟啉修饰（固定DNA），这种DNA能插入脂质双层膜中，虽然并没有中空的物理通道，但是离子仍然可以从DNA中心和DNA与脂质的界面处通过，这种跨膜通道有助于我们理解并且控制离子通过脂质膜。

文献链接：Ion Channels Made from a Single Membrane-Spanning DNA Duplex（Nano Letters，2016，10.1021/acs.nanolett.6b02039）

本文由材料人生物材料学习小组CZM供稿，材料牛编辑整理。

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