仿DNA聚合物的模板合成

Polynucleic acids (DNA and RNA) particularly display remarkable cooperative and selective binding properties. The high fidelity and specificity of the DNA replication and transcription process has been a source of inspiration for polymer scientists to develop well-defined DNA-mimicking polymers exhibiting similar recognition capabilities. In this project, we will design and prepare DNA-mimic dynamic covalent polymers (dynamers) with responsive and adaptive characters. A polymer library is constructed by a series of well-defined copolymers with pendant thiol groups synthesized by RAFT or ROP. DNA-mimic dynamer containing reversible thioester bonds are generated by the tethering of nucleobase thioester monomers to copolymers via transthioesterification reactions. DNA-templated synthesis is used to control the nucleobase anchoring process because of the hydrogen bond interaction of complementary nucleobases. In this project, oligonucleotides and nucleobase-containing synthetic polymers are used as the templates. DNA-mimic dynamers are initially prepared without any template to find out the optimum conditions for templated synthesis. Appropriate copolymers for tempalted synthesis are selected from the polymer library based on studies on the self-pairing interactions of DNA-mimic dynamers and cross-pairing interactions between dynamers and templates. Templated synthesis of DNA-mimic dynamers is carried out in the presence of oligonucleotides templates or nucleobase-containing polymer templates. The self-assembly behaviors during the reaction process are investigated in details. Finally, DNA template-directed dynamic nucleobase exchange reaction is studied to confirm the adaptability of DNA-mimic dynamers. The DNA-mimic dynamers obtained are smart polymer materials with recognition and adaptability, which have potential applications in biotechnology and biomedical areas.

本项目从仿生角度出发，设计合成具有环境响应性及自适性的仿DNA动态共价聚合物。利用RAFT聚合和开环聚合法合成一系列侧链含巯基的共聚物，组建"聚合物库"。核碱硫酯分子与共聚物侧链的巯基进行反应，核碱基通过可逆硫酯键与共聚物主链键接，得到仿DNA动态共价聚合物。分别以低聚核苷酸为DNA模板、含核碱高分子为聚合物模板，进行仿DNA动态共价聚合物的模板合成，期望利用模板合成法能够有效调控动态共价聚合物侧链核碱基的组成及含量。基于无模板法合成及对仿DNA动态共价聚合物性能及自组装行为的研究，确定模板反应条件，筛选出合适的共聚物用于模板合成。将研究共聚物的结构、模板的结构及核碱基组成等对模板反应、动态共价聚合物结构的影响，以及DNA模板介导的硫酯交换反应对仿DNA动态共价聚合物中核碱基组成的可调控性、对性能的可改变性。通过本项目研究，不仅可以合成智能性仿DNA聚合物，而且有助于理解生命体内信息复制传递等过程。

由脱氧核糖核酸（DNA）的组成与结构受到启发，从仿生角度构思合成的核碱基修饰的聚合物继承了DNA分子的组装特性，通过互补核碱基对之间的氢键相互作用形成各种仿生组装体，在纳米材料、生物医学以及信息科学等高新技术领域具有广泛的应用，因此仿DNA聚合物成为高分子科学、材料科学、生命科学等多学科交叉的热点研究领域。在本项目中，我们成功合成了一系列巯基修饰的共聚物和嵌段共聚物，以这些聚合物作为反应平台合成了多种核碱以及蛋白质修饰的智能性生物杂化聚合物：（1）基于巯基-硫酯的链交换反应合成了胸腺嘧啶修饰的仿DNA动态共价聚合物，可逆硫酯键的引入赋予了聚合物的动态性能，可以与含巯基的物质如谷胱甘肽、氨基酸等进行链交换反应，表现出“还原”响应性以及环境自适性；基于互补核碱基之间的氢键作用，此聚合物可以有效地识别腺嘌呤衍生物和三磷酸腺苷（ATP），与ATP形成超分子组装体，可用于构建ATP的纳米反应器。（2）基于巯基-二硫链交换反应，分别合成了腺嘌呤修饰的共聚物以及一系列刺激响应性的蛋白质生物缀合物，并以腺嘌呤共聚物为模板进行了胸腺嘧啶修饰的共聚物的合成。研究发现在水溶液中蛋白质生物缀合物自组装形成球形胶束、纳米棒等形貌，在此基础上我们构筑了对温度、pH、谷胱甘肽及酶具有多重刺激响应性的蛋白质杂化纳米粒子以及对酶和谷胱甘肽具有双重生物响应性的蛋白质囊泡等功能性组装体。在研究中我们还合成了三聚氰胺修饰的仿DNA聚合物，并以此聚合物为模板进行了胸腺嘧啶修饰的聚合物的制备。详细研究了三聚氰胺修饰的聚合物与三磷酸腺苷(ATP)之间的生物识别性，构建了以ATP为驱动力的超分子自组装体。本项目中合成的核碱、蛋白质修饰的生物杂化聚合物将合成高分子的刺激响应性与生物分子的功能性有机地进行结合，是一类结构新颖的智能性仿生材料，在生物技术、药物缓释以及仿生化学等领域具有广泛的应用。