把DNA變成新型塑料

安南

DNA結(jié)構(gòu)與塑料結(jié)構(gòu)很相似

說起DNA，大家都很熟悉了，作為生物體的“總工程師”，DNA對生物體的作用十分重大。但你知道嗎？DNA還具有一些工業(yè)原材料的優(yōu)良特性，未來，DNA也許會在工業(yè)、制造業(yè)中大放異彩。

DNA可以變塑料

白色污染已經(jīng)成為迫在眉睫的環(huán)境危機，世界各國都不得不將“禁塑”提上日程。但是，已經(jīng)習慣塑料的人類，在無塑可用時一定會感到十分不便，因此，制造塑料替代品也成為了人們迫切的需求。最近，有科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，DNA也許能成為理想的塑料原料。

DNA是怎么與塑料扯上關(guān)系的？讓我們先來看一看塑料的制造過程。塑料的主要原料是石油和煤的副產(chǎn)品。原油由許多種有機物混合而成，原油被抽出來后，經(jīng)過加熱、蒸餾和精煉等過程，按照沸點和密度的不同被分成多種組分，其中一種叫做石腦油，它是制造塑料的起點物質(zhì)。石油腦中含有許多小分子烷烴和烯烴，比如丁烷、乙烯、丙烯等，這些小分子有機物經(jīng)過一個叫聚合的化學(xué)反應(yīng)被合成高分子的烴鏈。工程師們往這些烴鏈中添加一些其他物質(zhì)改變其機械強度和穩(wěn)定性等性能，再通過不同的模具，我們見到的各類不同形狀和用途的塑料制品就制成了。

在這個過程中，你看到了DNA的影子嗎？美國康奈爾大學(xué)的生物學(xué)家羅丹所帶領(lǐng)的團隊在其中找到了DNA的用武之地。DNA與塑料的本質(zhì)相似，都是由碳氫組成的高分子鏈，如果能在DNA鏈中加入其他物質(zhì)改變其機械性能，DNA也許就能發(fā)揮出與塑料相似的功能。

用DNA做塑料原料的優(yōu)勢很明顯。與人造高分子材料不同，DNA作為地球上天然生產(chǎn)且歷史悠久的高分子，幾乎所有生物都具有分解DNA的酶，用DNA作為塑料完全不用擔心出現(xiàn)無法降解的問題;另一個明顯優(yōu)勢是，現(xiàn)在的塑料原料主要來源是化石能源，化石能源總有枯竭的一天。而DNA不同，地球有這么多的生物，它們幾乎時時刻刻在制造DNA，將DNA作為原料，可謂是取之不盡用之不竭。

DNA如何變塑料

那么，該如何將DNA變成塑料呢？首先是收集原料，幾乎所有生物的體內(nèi)都有DNA，但是珍稀動植物或者農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)育的動植物當然不適合作為DNA的來源。此外，從提純的角度考慮，較小的生物體含有的DNA以外的物質(zhì)較少，更適合用于提取DNA。

基于以上考慮，羅丹的研究團隊選取的是大海中的微生物和藻類、釀酒廠和制藥廠等各種發(fā)酵工廠使用過后的微生物殘渣等，從這些生物體內(nèi)可以收集到方便且廉價的天然DNA。未來，如果DNA塑料真正形成了產(chǎn)業(yè)鏈，也可以像發(fā)酵工廠那樣，建造一個個大型培養(yǎng)罐，用工業(yè)法高密度培養(yǎng)細菌，更快地獲取大量DNA。

獲取了DNA后，要將螺旋狀的DNA鏈解開成為單鏈，方便后續(xù)添加其他物質(zhì)，按用途改變其性質(zhì)。此前，已經(jīng)有許多團隊在嘗試將生物高分子材料多糖和蛋白質(zhì)等制成塑料。但是在解旋和重組的過程中，由于沒有合適的交聯(lián)劑，往往需要大量的能量才能完成這個過程。這次，羅丹的團隊幸運地解決了這個問題。在經(jīng)過許多次實驗后，研究團隊找到了一種適宜的小分子交聯(lián)劑，將它與天然DNA共同溶解在水中，在室溫下兩者就可以發(fā)生反應(yīng)，最快半小時就能將DNA解旋，一個個小分子交聯(lián)劑連接到DNA單鏈上，最終將許多條DNA單鏈交聯(lián)成一個完整的凝膠狀物質(zhì)。

研究團隊通過調(diào)節(jié)反應(yīng)時間和天然DNA的濃度等條件調(diào)控凝膠的機械性能，制備出了像橡膠一樣柔軟的凝膠，也制出了與塑料玩具一樣堅硬的凝膠。柔軟且輕薄的DNA凝膠在鋁離子和甘油的幫助下涂覆在銅線上，由于DNA是絕緣體，因此這些DNA涂層像塑料膜一樣顯示出完全的電絕緣性，涂在銅線上就制成了一根電線。堅硬的DNA凝膠則被研究團隊制成了一個拼圖玩具，涂上了紅、綠、橙、黑等各種顏色的DNA凝膠塊，看上去與真正的塑料玩具毫無差別。

DNA塑料大變樣

加入不同的物質(zhì)，DNA凝膠還表現(xiàn)出不同的性能，比如用甘油替代水作為交聯(lián)反應(yīng)的溶劑，研究人員得到了另一種DNA凝膠。由于甘油具有極低的蒸氣壓（氣液共存時的大氣壓），甘油DNA凝膠具有非常高的機械強度的同時也保持了非常驚人的可拉伸性。研究人員用小刀切割凝膠，它不會被切碎，而是將小刀彈開;這種凝膠還像不粘鍋的表面涂層特氟龍一樣，具有強大的黏附力，一小塊小拇指大小的凝膠黏附在一部手機上，就可以輕松將手機提起來，而且凝膠不會被拉斷。這樣看來，用DNA凝膠制成的塑料袋的強度和承重能力也不必擔心。

羅丹的研究團隊還在DNA凝膠中加入了許多新型材料，包括生物酶、碳納米材料、金屬或金屬氧化物納米顆粒、高分子單體和金屬離子等，這些雜質(zhì)不會干擾DNA凝結(jié)，而是賦予它一些新的特性和功能。

Cas12a是一種可在特定位點切割DNA的DNA剪切酶，當Cas12a受到刺激時，它會將DNA切開，這樣DNA制成的凝膠的形狀會發(fā)生變化甚至完全溶解，釋放凝膠內(nèi)容物。運用這個特性，DNA凝膠被制成了病菌檢測儀。當DNA凝膠檢測到來自埃博拉病毒和金黃色葡萄球菌等病原體的遺傳物質(zhì)時，DNA凝膠中的Cas12a酶被激活，將凝膠切斷，這時檢測儀就知道病菌的存在了。

羅丹的研究團隊還嘗試在凝膠中加磁性納米顆粒，這讓凝膠獲得磁性，可以隨著變動的磁場舞動，將之涂覆在不帶有磁性的物體上，就獲得了一個新磁體;DNA凝膠本身不具有導(dǎo)電性，但如果里面摻雜了金顆?；蛱技{米管等導(dǎo)電材料，就有望做成可導(dǎo)電的塑料;稀土材料、熒光材料和石墨烯等物質(zhì)的加入都與DNA凝膠碰撞出了新的火花，出現(xiàn)了各種千奇百怪的新材料。未來，這些新型塑料能發(fā)揮怎樣的功能，讓我們拭目以待。

DNA不僅是神奇的遺傳分子，指導(dǎo)生物們的生理特性和生化過程，現(xiàn)在，DNA還能變成萬能的材料分子，裝點生物體外的大千世界，給世界帶來更多改變。