DNA水凝胶是由DNA交联聚合物骨架或纯DNA模块自组装形成的亲水性聚合物网络。DNA水凝胶具有良好的生物相容性、可降解性、稳定性和力学性能，引起了人们的广泛关注。特别地，基于可编程DNA组装或降解反应可发展高灵敏的生物传感方法，随着核酸扩增技术的发展及纳米材料的整合应用，研究人员已开发出多种功能化DNA水凝胶并用于各类分子的检测分析。近期，苏州医工所缪鹏研究员课题组受邀撰写了题为“Programmable DNA hydrogels construction with functional regulations for biosensing applications”的综述论文。
该综述对DNA水凝胶的组装原理和功能化策略进行了介绍；描述了其亲水性、生物相容性、生物降解性、可编程性、可调节的刺激反应和机械特性等优点；系统性地回顾了基于DNA水凝胶相变的信号发生机制；重点介绍了近年来DNA水凝胶应用于荧光、比色、电化学、SERS生物传感方面的代表性工作；讨论了针对小分子、离子、蛋白质、核酸、细胞等不同类型靶标的检测策略；最后对DNA水凝胶生物传感应用面临的挑战和前景进行了展望（图1）。
图1 功能化DNA水凝胶制备及生物传感应用
DNA水凝胶可以通过化学（例如希夫碱和硼酸酯键）或物理相互作用（例如氢键和π-π相互作用）组装形成。在合成过程中主要涉及两种策略，包括杂化DNA水凝胶和纯DNA水凝胶。其中杂化DNA水凝胶通常采用聚丙烯酰胺等聚合物、多肽、纳米管或氧化石墨烯等作为骨架，DNA作为交联剂和可切换元件，具有很好的强度、适应性和通用性。通过特定核酸序列的设计能够使DNA水凝胶响应pH等环境或分子刺激，产生可调节的相变状态与信号，从而作为一种优良的生物功能材料应用于生物传感领域（图2）。而以DNA链作为水凝胶的骨架和交联链的纯DNA水凝胶则具有高度的可编程性、更好的生物相容性和可降解性。形成的三维网络可以由多个具有重复序列的构建模块（例如支链双链DNA、X形DNA或Y形DNA）与单链DNA粘性末端组成；另一方面，也可以通过杂交链式反应(HCR)、聚合酶链式反应(PCR)、滚环扩增反应(RCA)等核酸扩增技术直接制备。通过将DNA水凝胶针对外界刺激的响应或对目标分子的识别事件转化为机械、声学、光学和电信号等，可发展出一系列高灵敏的生物传感方法及集成装置，为体外和在体各类分析物的定性和定量检测提供有力的解决方案。本综述中分别讨论了近年来基于DNA水凝胶发展的重金属离子、毒素分子、酶、蛋白质、核酸、细胞等的检测方法。
图2 杂化DNA水凝胶的构建策略及环境分子响应
该综述论文已发表在Trends in Analytical Chemistry (中国科学院一区，IF = 13.1)上。论文第一作者为严承宇，通讯作者为缪鹏研究员。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0165993624001109
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