把DNA变成新型塑料

安南

DNA结构与塑料结构很相似

说起DNA，大家都很熟悉了，作为生物体的“总工程师”，DNA对生物体的作用十分重大。但你知道吗？DNA还具有一些工业原材料的优良特性，未来，DNA也许会在工业、制造业中大放异彩。

DNA可以变塑料

白色污染已经成为迫在眉睫的环境危机，世界各国都不得不将“禁塑”提上日程。但是，已经习惯塑料的人类，在无塑可用时一定会感到十分不便，因此，制造塑料替代品也成为了人们迫切的需求。最近，有科学家发现，DNA也许能成为理想的塑料原料。

DNA是怎么与塑料扯上关系的？让我们先来看一看塑料的制造过程。塑料的主要原料是石油和煤的副产品。原油由许多种有机物混合而成，原油被抽出来后，经过加热、蒸馏和精炼等过程，按照沸点和密度的不同被分成多种组分，其中一种叫做石脑油，它是制造塑料的起点物质。石油脑中含有许多小分子烷烃和烯烃，比如丁烷、乙烯、丙烯等，这些小分子有机物经过一个叫聚合的化学反应被合成高分子的烃链。工程师们往这些烃链中添加一些其他物质改变其机械强度和稳定性等性能，再通过不同的模具，我们见到的各类不同形状和用途的塑料制品就制成了。

在这个过程中，你看到了DNA的影子吗？美国康奈尔大学的生物学家罗丹所带领的团队在其中找到了DNA的用武之地。DNA与塑料的本质相似，都是由碳氢组成的高分子链，如果能在DNA链中加入其他物质改变其机械性能，DNA也许就能发挥出与塑料相似的功能。

用DNA做塑料原料的优势很明显。与人造高分子材料不同，DNA作为地球上天然生产且历史悠久的高分子，几乎所有生物都具有分解DNA的酶，用DNA作为塑料完全不用担心出现无法降解的问题;另一个明显优势是，现在的塑料原料主要来源是化石能源，化石能源总有枯竭的一天。而DNA不同，地球有这么多的生物，它们几乎时时刻刻在制造DNA，将DNA作为原料，可谓是取之不尽用之不竭。

DNA如何变塑料

那么，该如何将DNA变成塑料呢？首先是收集原料，几乎所有生物的体内都有DNA，但是珍稀动植物或者农业种植、养育的动植物当然不适合作为DNA的来源。此外，从提纯的角度考虑，较小的生物体含有的DNA以外的物质较少，更适合用于提取DNA。

基于以上考虑，罗丹的研究团队选取的是大海中的微生物和藻类、酿酒厂和制药厂等各种发酵工厂使用过后的微生物残渣等，从这些生物体内可以收集到方便且廉价的天然DNA。未来，如果DNA塑料真正形成了产业链，也可以像发酵工厂那样，建造一个个大型培养罐，用工业法高密度培养细菌，更快地获取大量DNA。

获取了DNA后，要将螺旋状的DNA链解开成为单链，方便后续添加其他物质，按用途改变其性质。此前，已经有许多团队在尝试将生物高分子材料多糖和蛋白质等制成塑料。但是在解旋和重组的过程中，由于没有合适的交联剂，往往需要大量的能量才能完成这个过程。这次，罗丹的团队幸运地解决了这个问题。在经过许多次实验后，研究团队找到了一种适宜的小分子交联剂，将它与天然DNA共同溶解在水中，在室温下两者就可以发生反应，最快半小时就能将DNA解旋，一个个小分子交联剂连接到DNA单链上，最终将许多条DNA单链交联成一个完整的凝胶状物质。

研究团队通过调节反应时间和天然DNA的浓度等条件调控凝胶的机械性能，制备出了像橡胶一样柔软的凝胶，也制出了与塑料玩具一样坚硬的凝胶。柔软且轻薄的DNA凝胶在铝离子和甘油的帮助下涂覆在铜线上，由于DNA是绝缘体，因此这些DNA涂层像塑料膜一样显示出完全的电绝缘性，涂在铜线上就制成了一根电线。坚硬的DNA凝胶则被研究团队制成了一个拼图玩具，涂上了红、绿、橙、黑等各种颜色的DNA凝胶块，看上去与真正的塑料玩具毫无差别。

DNA塑料大变样

加入不同的物质，DNA凝胶还表现出不同的性能，比如用甘油替代水作为交联反应的溶剂，研究人员得到了另一种DNA凝胶。由于甘油具有极低的蒸气压（气液共存时的大气压），甘油DNA凝胶具有非常高的机械强度的同时也保持了非常惊人的可拉伸性。研究人员用小刀切割凝胶，它不会被切碎，而是将小刀弹开;这种凝胶还像不粘锅的表面涂层特氟龍一样，具有强大的黏附力，一小块小拇指大小的凝胶黏附在一部手机上，就可以轻松将手机提起来，而且凝胶不会被拉断。这样看来，用DNA凝胶制成的塑料袋的强度和承重能力也不必担心。

罗丹的研究团队还在DNA凝胶中加入了许多新型材料，包括生物酶、碳纳米材料、金属或金属氧化物纳米颗粒、高分子单体和金属离子等，这些杂质不会干扰DNA凝结，而是赋予它一些新的特性和功能。

Cas12a是一种可在特定位点切割DNA的DNA剪切酶，当Cas12a受到刺激时，它会将DNA切开，这样DNA制成的凝胶的形状会发生变化甚至完全溶解，释放凝胶内容物。运用这个特性，DNA凝胶被制成了病菌检测仪。当DNA凝胶检测到来自埃博拉病毒和金黄色葡萄球菌等病原体的遗传物质时，DNA凝胶中的Cas12a酶被激活，将凝胶切断，这时检测仪就知道病菌的存在了。

罗丹的研究团队还尝试在凝胶中加磁性纳米颗粒，这让凝胶获得磁性，可以随着变动的磁场舞动，将之涂覆在不带有磁性的物体上，就获得了一个新磁体;DNA凝胶本身不具有导电性，但如果里面掺杂了金颗粒或碳纳米管等导电材料，就有望做成可导电的塑料;稀土材料、荧光材料和石墨烯等物质的加入都与DNA凝胶碰撞出了新的火花，出现了各种千奇百怪的新材料。未来，这些新型塑料能发挥怎样的功能，让我们拭目以待。

DNA不仅是神奇的遗传分子，指导生物们的生理特性和生化过程，现在，DNA还能变成万能的材料分子，装点生物体外的大千世界，给世界带来更多改变。