說(shuō)起DNA，大家都很熟悉了，作為生物體的“總工程師”，DNA對(duì)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(lái)，DNA也許會(huì)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(jī)，世界各國(guó)都不得不將“禁塑”提上日程。但是，已經(jīng)習(xí)慣塑料的人類，在無(wú)塑可用時(shí)一定會(huì)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(lái)看一看塑料的制造過(guò)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(jī)物混合而成，原油被抽出來(lái)后，經(jīng)過(guò)加熱、蒸餾和精煉等過(guò)程，按照沸點(diǎn)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(diǎn)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(jī)物經(jīng)過(guò)一個(gè)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(jī)械強(qiáng)度和穩(wěn)定性等性能，再通過(guò)不同的模具，我們見(jiàn)到的各類不同形狀和用途的塑料制品就制成了。
在這個(gè)過(guò)程中，你看到了DNA的影子嗎？美國(guó)康奈爾大學(xué)的生物學(xué)家羅丹所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)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?xì)浣M成的高分子鏈，如果能在DNA鏈中加入其他物質(zhì)改變其機(jī)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(shì)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(dān)心出現(xiàn)無(wú)法降解的問(wèn)題；另一個(gè)明顯優(yōu)勢(shì)是，現(xiàn)在的塑料原料主要來(lái)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(shí)時(shí)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(dòng)植物或者農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)育的動(dòng)植物當(dāng)然不適合作為DNA的來(lái)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(tuán)隊(duì)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(guò)后的微生物殘?jiān)?，從這些生物體內(nèi)可以收集到方便且廉價(jià)的天然DNA。未來(lái)，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(gè)個(gè)大型培養(yǎng)罐，用工業(yè)法高密度培養(yǎng)細(xì)菌，更快地獲取大量DNA。
獲取了DNA后，要將螺旋狀的DNA鏈解開(kāi)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(tuán)隊(duì)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(guò)程中，由于沒(méi)有合適的交聯(lián)劑，往往需要大量的能量才能完成這個(gè)過(guò)程。這次，羅丹的團(tuán)隊(duì)幸運(yùn)地解決了這個(gè)問(wèn)題。在經(jīng)過(guò)許多次實(shí)驗(yàn)后，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)就能將DNA解旋，一個(gè)個(gè)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(gè)完整的凝膠狀物質(zhì)。
研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間和天然DNA的濃度等條件調(diào)控凝膠的機(jī)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(jiān)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(jiān)硬的DNA凝膠則被研究團(tuán)隊(duì)制成了一個(gè)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(wú)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(shí)的大氣壓），甘油DNA凝膠具有非常高的機(jī)械強(qiáng)度的同時(shí)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(huì)被切碎，而是將小刀彈開(kāi)；這種凝膠還像不粘鍋的表面涂層特氟龍一樣，具有強(qiáng)大的黏附力，一小塊小拇指大小的凝膠黏附在一部手機(jī)上，就可以輕松將手機(jī)提起來(lái)，而且凝膠不會(huì)被拉斷。這樣看來(lái)，用DNA凝膠制成的塑料袋的強(qiáng)度和承重能力也不必?fù)?dān)心。
羅丹的研究團(tuán)隊(duì)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(huì)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(diǎn)切割DNA的DNA剪切酶，當(dāng)Cas12a受到刺激時(shí)，它會(huì)將DNA切開(kāi)，這樣DNA制成的凝膠的形狀會(huì)發(fā)生變化甚至完全溶解，釋放凝膠內(nèi)容物。運(yùn)用這個(gè)特性，DNA凝膠被制成了病菌檢測(cè)儀。當(dāng)DNA凝膠檢測(cè)到來(lái)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(shí)，DNA凝膠中的Cas12a酶被激活，將凝膠切斷，這時(shí)檢測(cè)儀就知道病菌的存在了。
羅丹的研究團(tuán)隊(duì)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(dòng)的磁場(chǎng)舞動(dòng)，將之涂覆在不帶有磁性的物體上，就獲得了一個(gè)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(lái)，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(guò)程，現(xiàn)在，DNA還能變成萬(wàn)能的材料分子，裝點(diǎn)生物體外的大千世界，給世界帶來(lái)更多改變。
