近日，《Nature Communications》刊发了中国地质大学（武汉）材料与化学学院夏帆教授团队的最新研究成果——《时空可控图案化光响应DNA水凝胶实现局部细胞响应性调控》。该文第一作者为材料与化学学院黄福建教授，通讯作者为黄福建教授、夏帆教授以及以色列希伯莱大学Itamar Willner教授（Fujian Huang*, Mengxi Chen, Zhixin Zhou, Ruilin Duan, Fan Xia*, Itamar Willner*, Spatiotemporal patterning of photoresponsive DNA-based hydrogels to tune local cell responses, Nat. Commun. 2021, 12, 2364。

  本文是黄福建教授和夏帆教授课题组关于光响应功能DNA系列工作之一。系列文章分别实现了光响应功能DNA不同的功能和应用，具体包括：（1）微球表面光响应功能DNA双光子图案化及性能调控（Fujian Huang, Juan Zhang, Tao Li, Ruilin, Fan Xia*, and Itamar Willner*, Two-Photon Lithographic Patterning of DNA-Coated Single Microparticle Surfaces, Nano Lett. 2019, 19, 618-625）;（2）基于光响应功能DNA探针分子的单细胞水平“光”“电”双模态癌症相关信使RNA检测（Fujian Huang, Meihua Lin, Ruilin Duan, Xiaoding Lou, Fan Xia*, and Itamar Willner*, Photoactivated Specific mRNA Detection in Single Living Cells by Coupling “Signal-on” Fluorescence and “Signal-off” Electrochemical Signals, Nano. Lett. 2018, 18, 5116-5123）;（3）本研究工作中利用光响应功能DNA构筑光响应DNA水凝胶实现局部细胞响应性调控。

  DNA水凝胶由于其良好的组织相容性以及生物物理和化学性能可调节的特性被广泛应用于体外细胞三维培养用于模拟细胞在体内的生长环境。通过在凝胶内引入功能单元（如功能DNA或者多肽）并调控凝胶的软硬程度可以模拟不同组织环境下细胞的生长环境。理解水凝胶的表面形貌、软硬程度和各向异性应力在时空上的差异对细胞生长的影响仍然是一个挑战。

图1. 功能性DNA适体图案化DNA水凝胶实现局部细胞响应性生长调节

  针对上述问题，夏帆教授团队在前期光响应功能DNA研究的基础上，将光响应功能DNA应用于功能性DNA水凝胶的构筑和细胞培养，实现了光响应DNA水凝胶时空可控图案化及生物物理和化学性能调控以实现局部细胞响应性调节。结合课题组前期发展的基于光刻掩模的单光子DNA光刻技术和无掩模的双光子DNA光刻技术，实现了表面DNA水凝胶时空可控图案化。在此基础上，利用DNA链替换反应，在不同的DNA凝胶图案化功能区引入能够跟靶细胞膜表面特异性相互作用的DNA序列，调控细胞在图案化功能区的生长过程。进一步地结合DNA杂交链增长反应，调控不同凝胶图案化功能区溶胀程度从而实现凝胶图案形貌调节以及局部细胞响应性调控，如图1所示。

  该研究课题获得了国家自然科学基金重大项目，科技部重点研发计划以及国家自然科学基金面上项目等基金项目的资助。

  原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-22645-8