北京時間2025年4月9日，上海交通大學化學化工學院鄧楠楠課題組在Nature Materials期刊發(fā)表題為“DNA photofluids show life-like motion”的研究成果。該成果提出“光流體”新概念，報道了一種光驅動DNA納米機器組裝的活性液體，該體系展現(xiàn)出生命運動行為。論文作者包括博士后趙啟紅博士、博士生齊金穎以及通訊作者鄧楠楠副教授。
生命運動主要源于成千上萬個生物分子機器不斷地將光能或化學能（ATP）轉化為微觀機械能，并通過復雜的協(xié)同作用，從而涌現(xiàn)出的集體行為，這一過程是細胞保持活性和功能性的重要基礎。繼2016年Jean-Pierre Sauvag、J. Fraser Stoddart和Ben L. Feringa因人工分子機器的開創(chuàng)性研究獲得諾貝爾化學獎后，如何使這些納米級機器在類細胞環(huán)境下協(xié)同工作并產(chǎn)生宏觀運動仍是懸而未決的科學難題。
面對這一難題，該研究通過液-液相分離技術，利用人工DNA納米機器構建出一種具有光響應特性的活性流體（簡稱" 作者利用偶氮苯分子和DNA納米結構結合創(chuàng)造了一種光響應DNA納米機器，該納米機器可以通過粘性末端配對引發(fā)液-液相分離形成DNA“光流體”（圖1）。偶氮苯分子作為“納米引擎”，像是給DNA插上了納米“翅膀”，通過吸收光能（可見光或紫外光）進行可逆的順-反（cis-trans）結構異構，以調節(jié)雙鏈DNA的雜交過程，誘導DNA液滴解離和再組裝（圖1）。除此之外，偶氮苯分子亦在可見光的照射下，可進行快速的反式-順式-反式（trans-cis-trans）異構化循環(huán)，使納米“翅膀”連續(xù)拍動，持續(xù)將光能轉化為微觀動能，在光場的調控下，直接轉化為光流體的宏觀運動。作者發(fā)現(xiàn)在非偏振的可見光的照射下，球形的DNA液滴可拉長成動態(tài)的棒狀結構（圖2），而在線性偏振可見光照射下，DNA液滴則可變形為二維液體薄片（圖2），當光照停止后，逐漸恢復球形。 圖2. Vis-light-fuelled deformations of the active DNA droplets. 隨后，作者解析了DNA光流體內部的能量轉化機制和動量傳遞機制。根據(jù)Weigert Effect，反式偶氮分子軸方向在光異構化循環(huán)中會發(fā)生隨機變化，但當激發(fā)的偶氮分子恰好垂直于入射光的偏振方向時，對光子吸收效率將驟降，光致異構化停止（圖2a），因此，當越來越多的反式偶氮分子垂直于光的偏振方向進行排列，即在各向同性的DNA液滴中產(chǎn)生了一定分子取向，而未排列的偶氮苯分子持續(xù)將光能轉化為微觀動能，并沿著分子取向被持續(xù)放大，導致DNA液體產(chǎn)生宏觀變形。在非偏振可見光下，DNA液滴是沿著光傳播的方向被拉長，隨后由于與周圍介質密度差而隨機翻轉（圖2c）。此外，作者利用冷凍電鏡、原子力顯微鏡和激光共聚焦成像等技術解析了DNA光流體內部的動態(tài)結構演變，發(fā)現(xiàn)DNA光流體內部和游離的DNA納米機器可通過光照產(chǎn)生一種類似細胞骨架（如微管、微絲）的微納結構，不僅可以能量耗散動態(tài)自組裝，而且可以能量耗散自發(fā)運動（圖3）。DNA納米纖維只在光照的條件下存在，光照停止，DNA納米纖維將自發(fā)解離并轉化為DNA液體（圖3），此動態(tài)DNA納米纖維可能促進了能量轉化與微動量的持續(xù)放大。 圖3. Photoinduced fibrillation inside DNA droplets. 為展示DNA光流體具有類細胞運動行為，作者通過時空分辨的結構光調控誘導了DNA液滴的復雜結構變化和生命運動行為。在DNA液滴的不同位置進行局部光照射可產(chǎn)生不同的運動行為，例如蠕動爬行、變形、分裂和旋轉等（圖4）。最后作者將光流體用做微驅動器，以及用于誘導流體旋渦發(fā)生，展現(xiàn)了該光流體可直接利用光能做功（圖5）。 圖4. Cell-like motions in active DNA droplets via spatiotemporal Vis irradiation. 圖5. Photofluids support macroscopic actuation on Vis irradiation. 人工分子機器能夠將光能/化學能轉化為分子運動，但液態(tài)環(huán)境屬于各向同性的介質，難以協(xié)同調控分子機械運動，因而無法將分子運動轉化為宏觀結構形變和運動。2021年Science雜志發(fā)布了125個重要科學問題，其中包括（1）細胞內生物分子如何組織從而有序有效發(fā)揮作用？（2）物質如何被編碼成生命材料？（3）可以實現(xiàn)人工合成細胞嗎？該研究為以上難題提供了新的啟示，同時揭示了人工分子機器在構建活性軟物質方面的巨大潛力，不僅為理解物質向生命復雜化演進提供了新視角，更為開發(fā)具有生命特性的功能材料開辟了新路徑。光流體使得直接利用太陽能產(chǎn)生連續(xù)流體運動成為可能，其構建方法極易拓展至其他分子機器和液液相分離體系，目前該課題組已成功開發(fā)出RNA光流體和多肽光流體等體系，相關研究成果正在投稿中。此類自驅動智能材料在人工肌肉、仿生軟體機器人、能量收集裝置、智能藥物載體、自適應驅動設備、組織工程及合成細胞等領域展現(xiàn)出廣闊應用前景。 該研究由上海市面上項目、四川省面上項目、國自然面上和青年項目、四川天府峨眉計劃和上海交通大學紹興研究院開放課題等基金資助。 全文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41563-025-02202-0 來源：高分子科學前沿 聲明：僅代表作者個人觀點，作者水平有限，如有不科學之處，請在下方留言指正！
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