新型微柱阵列微流控平台，实现DNA凝聚体的精准可控
2025-12-28 16:23:11 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员在微流控平台中利用振动诱导的局部涡旋（VILV）实现对DNA凝聚体尺寸的空间控制，并使其能够并行批量生成。
在生命科学和高分子化学领域，通过液-液相分离（LLPS）形成的分子凝聚体的研究日益活跃。细胞颗粒和无膜细胞器及其功能吸引了广泛关注，对其形成机制和特性的阐释也在不断深入。从根本上讲，液-液相分离的发生要么是由于聚合物的熵排斥作用，要么是由于特定的缔合相互作用。后者涵盖了多种类型的相互作用，业界对凝聚体形成的分子水平理解也在不断推进。
在各种液-液相分离系统中，由DNA组成的分子凝聚体因其独特的性质和潜在的应用，在材料科学和信息科学领域都引起了广泛关注。这些凝聚体因其生物相容性、生物可降解性以及整合遗传信息的能力而备受重视。一类DNA凝聚体由DNA纳米结构网络组成，通常是多臂基序，例如Y形或X形，通过高度特异性的Watson–Crick相互作用形成。由于DNA纳米结构之间的分子相互作用可以通过结构设计和位于每个臂末端的粘性末端（SE）序列进行精确且特异性的调节，因此，物理性质和分子识别能力都能以高度可编程的方式进行控制。与DNA折纸等传统DNA纳米结构不同，DNA凝聚体存在于微米尺度，这使得利用标准光学显微镜能够观察到由分子相互作用或环境刺激引起的动态变化。
DNA凝聚体作为可编程的智能材料具有巨大潜力。然而，从工程学角度来看，由于凝聚过程的随机性，制备尺寸均一、结构明确的DNA凝聚体仍面临重大挑战。
据麦姆斯咨询介绍，日本中央大学（Chuo University）的研究团队提出了一种新方法，在微流控平台中利用振动诱导的局部涡旋（VILV）实现对DNA凝聚体尺寸的空间控制，并使其能够并行批量生成。该平台的一个关键优势是能够支持对结构形态和动态变化的直接观察与实时追踪。相关研究成果已经以“A platform for the formation of uniform DNA condensate droplets using vibration-induced local vortices”为题发表于近期的Materials Horizons期刊。
研究团队通过对VILV系统的流场分析，证明了均匀的微涡旋可作为半封闭隔室，其中限制在每个涡旋空间内的DNA分子会快速聚集并形成均匀的球形凝聚液滴。通过调节DNA浓度和微柱尺寸等参数，VILV平台不仅能够系统地控制凝聚体的大小，还能促进构建具有一致形态的复杂、多组分“斑状”凝聚体。
图1 （a）直径和高度均为50 μm的微柱阵列的扫描电子显微镜图像；（b）由200帧示踪剂图像生成的流线，清晰地展示了VILV的规则结构；（c）通过粒子图像测速分析获得的速度矢量图，揭示了流速分布。
图2 VILV对DNA凝聚体形成的影响
在本研究中，研究团队成功开发了一种多功能微流控平台，利用VILV精确控制DNA凝聚体的形成过程。研究结果表明，通过使用直径在25～100 μm范围内的微柱阵列，能够在微观层面调控并观察粘性Y型基序DNA纳米结构的凝聚行为。该系统中产生的VILV不仅加速了初始凝聚体的形成，还能在水环境中对凝聚体的定位进行空间控制。通过调整单链DNA浓度和微柱几何结构等关键参数，可实现进一步的结构控制。这些发现凸显了该平台在研究液-液相分离和DNA凝聚机制方面的显著优势。VILV系统能够在水介质中促进大型、明确的DNA凝聚体形成，这对于需要分级凝聚体形成以及对外部刺激有响应性的应用而言，尤其具有价值。
图3 通过改变微柱阵列尺寸控制DNA凝聚体大小
此外，这种基于微柱阵列的VIF平台具有显著优势。与依赖外部泵的传统流式微流控系统相比，大幅降低了材料成本，并简化了观察过程。该平台还便于直接、实时监测凝聚体动态，并且有可能整合温度或环境控制功能。此外，通过简单扩大微柱阵列基板，该系统可以轻松实现规模化，以获得大量均一的凝聚体。因此，该系统为研究广泛的生物分子相互作用和生物力学过程提供了一种简单而强大的工具。
预计该平台将提高基于DNA的复杂凝聚系统和逻辑操作中反应动力学的可重复性和定量理解。研究团队还设想将其用于生成其他类型的单分散、相分离凝聚体，作为人工细胞和微型化学反应器的可重复且可控模型。本研究中开发的方法有望显著推动这些领域的研究。
论文链接：https://doi.org/10.1039/D5MH01304F
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