分子貨物的選擇性運輸在許多生物和化學/材料工藝和應用中至關重要。盡管自然界已經進化出高效的體內生物運輸系統，但合成運輸系統通常受到與貨物與合成或天然運輸屏障之間的微調相互作用相關的挑戰的限制。
鑒于此，西北大學Chad A. Mirkin院士等人試圖設計和合成一個分子運輸平臺，可以系統地調節貨物-屏障相互作用。通過將該平臺作為模型系統進行研究，將了解貨物-屏障相互作用如何從根本上影響運輸過程，并確定瞬態相互作用導致最佳運輸選擇性的特定機制。具體來說，研究人員假設 DNA-DNA 相互作用，可以通過化學編程來實現廣泛的結合強度，可以用來為基于瞬時貨物-屏障相互作用的選擇性運輸系統提供一條有前途的途徑。成果發表在JACS上。
于此，研究人員報告了一個由DNA-DNA 相互作用促進的選擇性貨物運輸的模塊化平臺。具體來說，開發了一種 DNA 門控水凝膠作為運輸屏障，其中 DNA 鏈共價結合到水凝膠孔中介導納米級物質的擴散，導致基于體積排除的“門控”機制；只有用互補 DNA 序列標記的貨物才能可逆地與這些門控 DNA 鏈結合，從而穿過屏障。
通過膜的貨物運輸過程通常包括兩個連續的步驟——吸附和擴散。因此，研究人員將 DNA 門控水凝膠中的選擇性轉運過程分為兩個階段：
（1）通過門控 DNA 鏈和攜帶互補 DNA 的貨物之間的親和相互作用促進貨物分配到水凝膠中序列（第 1 階段）；
(2) 貨物上的 DNA 鏈與相鄰門控 DNA 鏈的重復去雜交和重新雜交，導致類似于“行走”的擴散過程（第 2 階段）。這種兩階段運輸過程的選擇性和效率主要取決于貨物/門控-DNA 相互作用強度。
因此，貨物和水凝膠屏障的化學和物理特性，包括貨物上的核酸鏈數（即貨物價）和DNA-DNA 結合強度，可用于調節貨物運輸的效率。存在貨物-屏障相互作用足以產生高選擇性和高移動性的機制，而在其他情況下，由于吸引力的相互作用太強而不允許移動。
圖|由瞬時 DNA-DNA 相互作用促進的選擇性運輸過程的示意圖
作者還設計合成了DNA樹狀分子運輸標簽，該標簽可用于普遍修飾大分子貨物，從而使屏障能夠區分待運輸的特定物種，這也使原本難以實現的仿生促進擴散成為可能。
圖|DNA 樹突的結構及其運輸過程的示意圖
綜上所述，這些結果增強了我們對貨物-屏障相互作用如何決定貨物運輸的基本理解，并能夠提出一種模塊化方法，該方法有可能滿足各種新興應用的需求。這些利用DNA-DNA相互作用的新型運輸系統為控制水凝膠中選擇性貨物流動性的因素提供了新的化學見解，并為設計多種藥物/探針遞送系統打開了大門。
參考文獻：
A General DNA-GatedHydrogel Strategy for Selective Transport of Chemical and Biological Cargos. J. Am. Chem. Soc. 2021
https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.1c08114
