J. Am. Chem. Soc. | DNA介导的瓶刷状大分子单体逐步生长聚合

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今天给大家分享一篇最近发表在JACS上的文章,题为:DNA-Mediated Step-Growth Polymerization of Bottlebrush Macromonomers在该工作中,作者介绍了瓶刷状聚合物的DNA介导自组装。本文的通讯作者是来自美国东北大学的张可教授和来自康涅狄格大学的林遥教授、Mu-Ping Nieh教授。

在自然界中,蛋白质之间通过非共价相互作用形成极为明确的结构。长期以来,人们都渴望利用合成材料来模仿大自然的这种能力以制备出复杂的中尺度结构。DNA由于其高度的可预测性、可编程性和精确的碱基配对,是从纳米模块构建中尺度结构的理想工具。

20世纪90年代以来,DNA纳米技术就确立了DNA定向组装的基本规则,这涉及到刚性的DNA构建块。目前存在两种在化学和概念上截然不同的途径,被用来为DNA模块提供必要的刚性。其中一种方法是通过杂交稳定的多链交叉体,来得到构象受限的DNA支架,这种方法在结构多样性上享有高度的自由,却仅限于纯核酸的化学组成。第二种方法采用刚性的非核酸纳米颗粒(无机或有机)作为模板,在表面的法线方向构建功能化的DNA链。这种方法增加了成分的多样性,但只能得到重复的晶格图案,因为这些圆形颗粒的均匀表面更倾向于进行全方位的三维生长,而无法确定单一的生长方向。因此,将DNA作为一种官能团可能会为这种结构与成分多样性上的矛盾带来机遇。

在本文中,作者第一次提出了基于DNA-刷状聚合物偶联物的双单体(AA+BB)反应系统,并设计了具有相应预测能力的数值模型。首先,经过降冰片基溴化物(N-Br)和降冰片基聚乙二醇(N-PEG5k)的连续开环易位聚合(ROMP)后得到的三嵌段刷状共聚物,与叠氮化钠反应后生成了分子量(Mn)为128 kDap(N-N3)5-b-p(N-PEG5k)25-b-p(N-N3)5

然后通过铜介导的click反应将部分叠氮基团标记青色素5.5Cy5.5)以实现定量检测,剩余的叠氮基团则与二苄基环辛炔(DBCO)修饰的DNA链相结合(图1A)。两条互补的DNA链分别在3'处标记了荧光素(F-DNA)与荧光猝灭剂(Q-DNA),因此与聚合物反应后会得到相应的F刷与Q刷(图1B)。计算得到每个刷子的DNA链段数在10左右,TEM与动态光散射测得的直径分别为11.0±1.7 nm17.8±5.1 nm

图1. A) DNA-刷大分子的合成;B) DNA序列设计。

通过监测荧光随时间的变化可以获得自组装动力学的相关信息。作者测试了嵌入F刷中的F-DNA对自由Q-DNA的可及性,发现加入Q-DNA后,荧光信号立即下降并在约2分钟后达到平衡(图2B),表明杂交速度快,空间位阻很小。当F刷和Q刷以11的摩尔比混合(每个刷子的浓度为 1 nM)时,荧光强度随时间缓慢降低(图2B),这表明比起刷子和游离DNA的距离,两个反应刷子之间的空间位阻要大得多。

图2. A) 刷状聚合物自组装示意图;B) F刷与Q刷或Q-DNA的杂交动力学;C) 不同单体浓度下的聚合动力学模型拟合;D&E) 通过动力学模型预测基于数量和重量的尺寸分布。

因此,为了拉进两个刷子之间的距离,作者增加了PEG的密度并降低了大分子单体的平动自由度。实际上,对于FQ刷的组装,即使延长反应时间(180分钟),荧光水平仍然相对较高(约52%的F-DNA未淬灭),显示该反应是可逆的。但反应的转化率不能仅从淬灭DNA的百分比来看,因为即使所有的刷子都参与聚合也不能保证每个F-DNA都与Q-DNA完美结合。因此文章还结合了可逆的逐步增长聚合模型(公式1)对聚合动力学进行数值模拟。在拟合中假设归一化荧光与单体、低聚物和连接键的分数(f)之和成正比得到公式2。实验证明该模型在所有测试浓度下均能很好地拟合实验曲线(图2C)。

公式1&2. 其中[M]0是F刷和Q刷的起始浓度之和,[Mi]是i-mers的浓度,f是在连接键处F-DNA的分数因子。

建模结果证实了作者的假设,即并非所有DNA链都在连接键处形成双链体。为了探究其余的F-DNA在交界处是否可与其他Q刷接近,作者故意通过使用过量的Q刷(FQ= 11.6molmol,总计2.6 nM)向系统引入化学计量失衡。荧光监测显示,与11比例的反应相比,归一化荧光有所降低(图3A),表明形成了更多的键。并且从TEM成像中可以观察到,此时形成的棒状、分支和环状结构,具有更高的聚合物分散指数(PDI~1.79),这可能是由于过量的Q刷在键合点处与F-DNA杂交,从而偏离了组装方向(图3CD)。这些结果都表明刷状聚合物不能完全保持嵌入的DNA以固定的方向结合。

图3. A) 杂化动力学;B) 基于数量的聚合物分布;C&D) TEM图像。

综上,作者通过DNA杂交介导的瓶刷状聚合物自组装,形成了一维超聚合物,其中方向性是通过瓶刷聚合物的空间位阻来实现的。而建模则可以准确预测组装结构的长度和分散性,并最终通过TEM实现可视化。此方法也为其他设计材料(包括利用氢键、疏水作用等的非DNA系统)的发展提供了新思路。

作者:HYH  审校:LJH

DOI: 10.1021/jacs.0c03806

Link: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c03806


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