21、分子机器人的分子材料：从DNA水凝胶到光响应核酸的探索

分子机器人的分子材料：从DNA水凝胶到光响应核酸的探索

分子机器人的发展离不开各种功能材料的支持。这些材料不仅能拓展分子机器人的功能，还能拓宽其应用领域。接下来，我们将深入探讨几种关键的分子材料及其应用。

1. 大规模DNA合成及其在刺激响应凝胶中的应用

传统的DNA水凝胶合成方法，如采用常规的亚磷酰胺固相化学法，只能合成微克到毫克级别的DNA，因此制备的凝胶尺寸通常较小，仅为毫米到厘米级别。而“使用聚乙二醇（PEG）底物的液相大规模DNA合成”方法则不同，它可以与特殊的高阶结构（而非DNA双链）结合，制备出大尺寸的DNA水凝胶。

1.1 G - 四链体凝胶

G - 四链体凝胶利用由四个鸟嘌呤碱基分子组成的G - 四重结构。在制备DNA - PEG - DNA三嵌段大分子单体时，使用两端带有OH基团的未修饰PEG，DNA部分仅需三或四个脱氧鸟苷残基。当加入适当的碱金属离子（如Na⁺或K⁺）时，含有形成四链体的短DNA片段的DNA - PEG共轭物水溶液会迅速变成稳定而坚硬的水凝胶。

例如，向浓度超过5 wt%的dG4 - PEG - dG4水溶液中加入Na⁺（100 - 200 mM）或K⁺（约50 mM），溶液会立即固化。通过改变PEG的结构，可以调节所得水凝胶的性能。使用四臂支化PEG制备的水凝胶，即使加热到70 °C以上也不会融化，这是因为G - 四链体本身比DNA双链更稳定，且大分子单体溶液中DNA片段的浓度（10 - 30 mM）比化学合成的DNA高得多。

这种材料最显著的特性是可以使用Na⁺作为凝胶化的触发剂。人体体液通常含有Na⁺，如生理盐水含有140 mM的Na⁺。不仅磷酸盐缓冲盐水（PBS）、血清、