A water-soluble poly(diphenylacetylene)-based photoredox system for visible-light-driven DNA fragmentation

在分子生物学的实验室中，切割 DNA 的能力是一项基础性的工具。科学家们经常需要切断长而扭曲的遗传物质链，以研究基因是如何组织的、染色体是如何包装的，以及细胞是如何自我修复的。传统上，这种切割主要通过两种方式进行。第一种涉及使用天然酶，它们就像分子剪刀，只能在遗传密码中预先确定的特定序列处进行切割。第二种方法是物理性的，利用声波或机械力将 DNA 粉碎成随机的碎片。虽然这些方法效果良好，但缺乏一个关键特性：即在精确的时间和特定的地点实现“开启”与“关闭”的能力。酶一旦添加就会持续工作，而物理作用力很难在不损伤相邻细胞的情况下应用于单个细胞。光提供了一个解决方案。由于光可以瞬间开启并聚焦于一个微小的点，它提供了一种能够以高时空精度控制化学反应的方法，前提是该反应可以由可见光而非有害的紫外线触发。

来自日本金泽大学和日本工业技术研究院的研究团队开发了一种利用可见光切割 DNA 的新系统，且无需针对特定序列。他们创造了一种水溶性聚合物——这是一种可以像糖一样溶解在水中的长链分子——当暴露在蓝光下时，它能起到催化剂的作用。该聚合物基于一种称为聚二苯乙炔（poly(diphenylacetylene)）的结构，其骨架能够吸收光并沿其长度传递能量。为了使该骨架能在生物环境中发挥作用，研究人员在其上附着了由乙二醇组成的侧链，这种物质使聚合物具有亲水性。当这种聚合物与一种被称为胺供体（amine donor）的特定化学物质混合，并暴露在波长为 425 纳米的蓝光下时，它会触发一种破坏 DNA 链的反应。该过程并不要求聚合物识别特定的遗传密码；相反，它作为一个通用的切割器，只需通过照射光线即可被激活。

研究人员首先使用质粒 DNA 测试了该系统，质粒是常用于实验室模型的微小环状遗传物质。他们将质粒 DNA 置于含有该聚合物和三种不同胺供体之一的溶液中，然后对混合物照射蓝光。为了观察 DNA 是否被切割，他们通过凝胶电泳运行了混合物，这是一个按大小分离 DNA 片段的过程。在对照实验中（即关闭光照或缺少聚合物时），DNA 保持完整，并在凝胶中以原始的紧密环状形态移动。然而，当在存在聚合物和胺供体的情况下开启光照时，模式发生了剧烈变化。紧密的环状结构消失了，取而代之的是由较小碎片组成的弥散条带，这表明 DNA 已被切成了碎片。研究人员确认，所有三个组分——聚合物、胺供体和光——对于这种切割的发生都是必要的。如果没有光，反应就不会开始，这证明了光子的能量是解锁该过程的关键。

为了了解哪些化学成分效果最好，团队对比了三种不同的胺供体。其中一种是标准化学品，另一种是增加了醇基使其更亲水的版本，第三种是具有两个胺基的大分子。在针对质粒 DNA 的试管实验中，三种供体都起到了作用，但较大的双胺分子产生的切割最为广泛。然而，研究人员注意到分子的尺寸和形状非常重要。他们选择了具有醇官能团的供体进行进一步测试，因为它在水兼容性与相对简单的结构之间取得了平衡，使其在生物环境中更容易操作。他们还发现，所使用的供体量也很重要；当他们增加溶液中供体的浓度时，DNA 的切割变得更加剧烈。这表明该反应依赖于这些分子的稳定供应来维持切割过程。

该系统的真正考验出现在研究人员从试管转向活细胞阶段时。他们用聚合物和胺供体处理了人类细胞（已知为 HEK293A），然后让细胞暴露在蓝光下。随后，他们提取了细胞的基因组 DNA（即细胞核内的主要遗传物质）并进行了分析。结果显示，该系统确实可以使活细胞内的 DNA 断裂。在高分子量 DNA 中，原本在凝胶顶部呈现为一条实线的 DNA 碎裂成了较小的片段，并分布在整个凝胶上。有趣的是，不同供体的表现随环境改变。虽然大型双胺分子在试管中表现最强，但在细胞中的表现却很差。相比之下，在试管中表现稳健的醇功能化供体，在细胞中成为了最有效的 DNA 切割者，且其效果取决于照射光照的时间长短。这种差异表明，细胞内复杂的环境（拥有许多其他分子和屏障）改变了这些化学物质的相互作用方式。

研究人员提出，切割始于电子的转移。当蓝光照射聚合物时，它会激发聚合物骨架中的电子。随后，胺供体会向这个受激发的聚合物提供一个电子，从而产生一种不稳定且具有反应性的带电状态。这种反应态最终导致了 DNA 链的断裂。然而，究竟是哪种具体的化学物种在实际剪切 DNA 仍是一个谜。它可能涉及向 DNA 直接转移电子，也可能涉及与空气中的氧气发生二次反应，从而产生能够切割 DNA 的活性物种。该研究尚未确认哪种路径是主要路径，也未精确指出细胞内部的具体切割位置。反应可能发生在细胞内部，也可能在细胞在提取过程中被破碎后发生。

尽管存在这些悬而未决的问题，这项工作仍为利用光控制 DNA 建立了新的平台。这种水溶性聚合物作为一种多功能工具，可以通过改变其侧链来进行调节。研究人员指出，未来他们可以将特定的靶向基团连接到聚合物上，以引导其到达细胞的特定部分或特定类型的组织。这将实现对遗传物质更精确的操作。目前，该系统代表了从简单的试管反应向复杂细胞环境迈出的重要一步。它证明了可以使用可见光在无需酶或特定遗传序列的情况下触发 DNA 的断裂，为以高时空控制度研究生命机制提供了新途径。研究结果表明，通过调整化学伙伴和光照时间，科学家可以微调这一过程，以适用于各种生物学研究，从而开启了一扇此前难以实现的实验之门。