Hybrid enzymatic graft-through and graft-from polymerization of DNA bottlebrush polymers
本文介绍了一种具有精确定义分子维度的全 DNA 基瓶刷聚合物系统，该系统通过结合模板导向的“接枝通过”（graft-through）与“接枝生长”（graft-from）聚合反应的杂化酶促策略实现，从而能够研究结构与性质的关系，并为分子机器、光子学和核酸递送提供了潜在的应用前景。
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想象一个这样的世界：构成我们遗传密码的那些微小、柔韧的丝线，不仅能携带信息，还能被工程化设计成一种新型材料的结构梁。几十年来，科学家们一直对一种被称为“瓶刷状聚合物”的特定分子结构感到着迷。想象一条长长的中心主链，其间分布着数百条较小的链或“刷毛”，沿着整个长度向外伸出，就像发刷上的刷毛一样。这些结构之所以特殊，是因为它们的形状赋予了它们独特的性能：它们可以非常柔软、具有弹性且抗断裂，这使得它们在从人工组织到药物递送系统的各种领域都非常有用。然而，研究这些刷毛的长度和密度如何改变材料的行为一直是一件困难的事情。传统的构建这些分子的方法往往会导致杂乱、不一致的结构，其中刷毛分布不均，或者主链太弱以至于无法支撑它们。为了真正理解这些材料是如何工作的，研究人员需要以完美的精度来构建它们，精确控制从中心脊柱的长度到刷毛的数量和大小的每一个细节。
斯坦福大学的一个研究小组现在开发出了一种利用生物体自身的生物工具来构建这些复杂结构的方法。他们没有使用剧烈的化学物质来强行将分子结合在一起，而是使用了酶——大自然自带的分子机器——来组装一种完全基于 DNA 的瓶刷状聚合物。这一过程始于一条标准的 DNA 链，它作为主链。研究人员使用了一种称为“接枝通过聚合”（graft-through polymerization）的技术，将特殊的化学钩直接插入 DNA 链本身。这可以想象为在构建 DNA 脊柱的过程中，将微小的反应性锚点编织进去。一旦这些锚点就位，团队便将短的 DNA 起始链连接到这些锚点上。最后，他们使用一种名为末端脱氧核苷酸转移酶（terminal deoxynucleotidyl transferase）的酶充当建筑师，向这些起始链添加数千个独立的 DNA 构件。这一步骤被称为“接枝引发聚合”（graft-from polymerization），它使短的起始链生长成长而密的侧链，并从主链向外扇形展开，形成了特征性的瓶刷形状。
研究人员不仅构建了这些结构，还仔细测量了不同部分如何影响整体。通过改变他们在主链中插入的化学钩数量，他们可以控制侧链的拥挤程度。当钩子稀疏时，侧链会松散地悬挂，使结构看起来更像是一个齿间距较大的梳子。当钩子密集时，侧链会被迫相互挤压，从而使整个分子变硬，创造出真正的瓶刷形状。他们还通过让酶工作不同的时间来控制侧链的长度。利用一台能够观察单个分子的强大显微镜，团队观察了这些变化如何改变 DNA 的刚性。他们发现，随着侧链变得更长、更拥挤，主链会显著变硬，这证实了密集的刷毛起到了加固结构的作用。
这项工作意义重大，因为它证明了科学家现在可以以以前不可能实现的精度来创造这些复杂的 DNA 基材料。研究人员表明，通过简单地调整配方——改变成分比例或允许酶工作的时间——他们可以让材料从柔韧的梳状结构调节为刚性的瓶刷状结构。他们还展示了这些结构足够稳定，可以进行单个分子的研究，揭示了以往被掩盖的关于它们如何弯曲和拉伸的细节。虽然这项研究侧重于这些 DNA 结构的根本力学性质，但这种精确构建它们的能力为未来的应用打开了大门。研究人员建议，这种方法最终可能导致新的药物递送平台、创建微型分子机器，或构建能够操纵光的调谐光学器件。通过掌握这些 DNA 瓶刷的构建，该团队提供了一种在单分子尺度上探索物理世界的新方法，将一个理论概念转变为一种切实的、可控的现实。
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