DNA水凝膠是由DNA交聯(lián)聚合物骨架或純DNA模塊自組裝形成的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)。DNA水凝膠具有良好的生物相容性、可降解性、穩(wěn)定性和力學性能，引起了人們的廣泛關(guān)注。特別地，基于可編程DNA組裝或降解反應(yīng)可發(fā)展高靈敏的生物傳感方法。隨著核酸擴增技術(shù)的發(fā)展及納米材料的整合應(yīng)用，研究人員已開發(fā)出多種功能化DNA水凝膠并用于各類分子的檢測分析。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，蘇州醫(yī)工所繆鵬研究員課題組受邀撰寫了題為“Programmable DNA hydrogels construction with functional regulations for biosensing applications”的綜述性論文。該綜述對DNA水凝膠的組裝原理和功能化策略進行了介紹，描述了其親水性、生物相容性、生物降解性、可編程性、可調(diào)節(jié)的刺激反應(yīng)和機械特性等優(yōu)點，并系統(tǒng)性地回顧了基于DNA水凝膠相變的信號發(fā)生機制。

此外，該綜述重點介紹了近年來DNA水凝膠應(yīng)用于熒光、比色、電化學、SERS生物傳感方面的代表性工作，討論了針對小分子、離子、蛋白質(zhì)、核酸、細胞等不同類型靶標的檢測策略。最后，該綜述對DNA水凝膠生物傳感應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)和前景進行了展望（圖1）。該論文已發(fā)表在Trends in Analytical Chemistry期刊上。論文第一作者為嚴承宇，通訊作者為繆鵬研究員。

圖1功能化DNA水凝膠的制備及生物傳感應(yīng)用

DNA水凝膠可以通過化學（例如希夫堿和硼酸酯鍵）或物理相互作用（例如氫鍵和π-π相互作用）組裝形成。在合成過程中主要涉及兩種策略，包括雜化DNA水凝膠和純DNA水凝膠。

其中，雜化DNA水凝膠通常采用聚丙烯酰胺等聚合物、多肽、納米管或氧化石墨烯等作為骨架，DNA作為交聯(lián)劑和可切換元件，具有很好的強度、適應(yīng)性和通用性。通過特定核酸序列的設(shè)計能夠使DNA水凝膠響應(yīng)pH等環(huán)境或分子刺激，產(chǎn)生可調(diào)節(jié)的相變狀態(tài)與信號，從而作為一種優(yōu)良的生物功能材料應(yīng)用于生物傳感領(lǐng)域（圖2）。

圖2雜化DNA水凝膠的構(gòu)建策略及環(huán)境分子響應(yīng)

而以DNA鏈作為水凝膠的骨架和交聯(lián)鏈的純DNA水凝膠則具有高度的可編程性、更好的生物相容性和可降解性。形成的三維網(wǎng)絡(luò)可以由多個具有重復(fù)序列的構(gòu)建模塊（例如支鏈雙鏈DNA、X形DNA或Y形DNA）與單鏈DNA粘性末端組成；另一方面，也可以通過雜交鏈式反應(yīng)（HCR）、聚合酶鏈式反應(yīng)（PCR）、滾環(huán)擴增反應(yīng)（RCA）等核酸擴增技術(shù)直接制備（圖3）。

圖3 純DNA水凝膠的構(gòu)建策略

通過將DNA水凝膠針對外界刺激的響應(yīng)或?qū)δ繕朔肿拥淖R別事件轉(zhuǎn)化為機械、聲學、光學和電信號等，可發(fā)展出一系列高靈敏的生物傳感方法及集成裝置，為體外和在體各類分析物的定性和定量檢測提供有力的解決方案。本綜述中分別討論了近年來基于DNA水凝膠發(fā)展的重金屬離子、毒素分子、酶、蛋白質(zhì)、核酸、細胞等的檢測方法。

圖4 （A）基于DNA水凝膠的Pb2?毛細管傳感器示意圖；（B）基于電極表面HCR組裝DNA水凝膠的Hg2?阻抗傳感策略示意圖



圖5（A）用于Dam活性分析的DNA水凝膠基POCT裝置開發(fā)示意圖；（B）基于Cas14a裂解DNA水凝膠的CK-MB檢測系統(tǒng)原理示意圖

隨著DNA水凝膠在生物傳感領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴大，一些亟待解決的挑戰(zhàn)涌現(xiàn)出來。首先，與其他聚合物相比，DNA分子的成本相當高。常用的“1：1”識別策略需要在水凝膠中加入大量的反應(yīng)單元。為了以低成本、高效益的方式實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用，可以進一步開發(fā)雜化DNA水凝膠，并整合“1：n”信號放大策略。

此外，水凝膠的緩慢傳質(zhì)限制了反應(yīng)速度，對低豐度和微量樣品的反應(yīng)靈敏度也有待提高。其次，考慮到基于DNA水凝膠的生物傳感器可能的應(yīng)用場景，應(yīng)提高DNA水凝膠在復(fù)雜環(huán)境基質(zhì)中的穩(wěn)定性及其對惡劣環(huán)境條件的耐受性。最后，DNA水凝膠顆粒、微凝膠、微針陣列、微流控芯片等微系統(tǒng)的研究有助于實現(xiàn)快速、便攜、靈敏和低成本的目標分子檢測，可應(yīng)用于POCT、可穿戴和可植入傳感領(lǐng)域。隨著DNA納米技術(shù)的發(fā)展，更深入的研究有望解決目前存在的問題，提高分析性能，擴大生物傳感的應(yīng)用范圍。

論文鏈接： https://doi.org/10.1016/j.trac.2024.117628



審核編輯：劉清