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为解决当前聚合物机械化学研究中，依赖复杂合成机械基团且分析精度不足的问题，研究人员以 DNA 为模型系统开展机械化学研究。他们发现超声可使 DNA 在无机械基团情况下实现近核苷酸精确断裂，该成果为研究聚合物响应机械应力提供新途径18。
在材料科学和生物领域，聚合物机械化学至关重要。它能实现分子层面的可控反应，像调控材料自修复、药物激活等。不过现有研究方法存在局限，合成机械基团（mechanophores，力敏感分子实体，可在机械刺激下发生化学变化）过程繁琐，且对合成聚合物中断裂事件的分析不够精确。为突破这些困境，来自德国亚琛工业大学（RWTH Aachen University）、莱布尼茨交互材料研究所（DWI – Leibniz Institute for Interactive Materials）等多个机构的研究人员，以 DNA 为研究对象，开展了一系列实验与计算研究，相关成果发表于《Chem》。
研究人员采用了多种关键技术方法。利用超声（US）诱导 DNA 断裂，结合下一代测序（NGS）技术，精确分析 DNA 断裂位置，实现单体级精度评估。同时，运用全原子恒定力分子动力学（MD）模拟，从分子层面解释实验现象，探究 DNA 断裂的内在机制。
下面来看具体研究结果：
- US 诱导 DNA 高精度断裂：研究人员用切口内切酶处理 704 bp 的 DNA 片段，获得带切口的双链 DNA（dsDNA）。对完整和带切口的 DNA 进行 20 kHz 超声处理，凝胶电泳（GE）显示，完整 DNA 超声后片段大小不一，而带切口的 DNA 超声后产生清晰条带，且断裂速度快 23%。通过 NGS 技术构建断裂分布，发现带切口 DNA 的断裂点围绕切口呈窄分布，符合正态分布，证明超声可诱导 DNA 实现高精度断裂23。
- 断裂分布与解链程度相关：此前，DNA 断裂分布的机制尚不明确。研究人员通过 MD 模拟发现，带切口的 DNA 在受力时，切口附近会发生解链（fraying，即 DNA 部分解旋，暴露单链区域），解链程度为 9 ± 4 nt。解链使单链区域暴露，该区域受力增加，当力大于键断裂阈值（>1 nN）时，就会导致断裂。通过改变 DNA 序列中 GC 含量，发现高 GC 含量区域解链距离短，断裂更精确，这表明解链程度决定了 DNA 键断裂的精度45。
- 单核苷酸改变对解链宽度的影响：研究人员通过改变切口两侧附近的序列，逐步增加 AT 含量，发现 AT 含量与断裂分布中心位置（μ 值）无显著线性关系，但随着 AT 含量增加，断裂分布宽度（σ 值）显著增大。这说明可以通过微调单核苷酸来系统调节解链程度，进而调整断裂分布67。
- 偏移切口和多个切口的研究：研究人员对 1500 bp 的 DNA 进行改造，将切口位置从中心移到周边，超声处理后仍能观察到精确可控的断裂过程。同时，构建含有中心和周边两个切口的 DNA，超声后发现优先在中心切口处断裂，实现了分级共价键断裂。这表明双切口 dsDNA 可用于量化链内断裂竞争910。
研究结论与讨论部分指出，该研究成功利用简单切口模拟机械基团，实现了超声诱导 DNA 的精确断裂。通过改变切口侧翼核苷酸序列，可调节键断裂的区域特异性和精度。这种以 DNA 为模型系统的研究方法，避免了传统聚合物机械化学复杂的合成过程，结合 NGS 和 MD 模拟，能更高效地推动聚合物机械化学基础研究。此外，在工程 DNA 材料和系统领域，该方法也具有重要应用前景，可用于分析 DNA 折纸结构中切口的断裂事件，优化材料性能。总之，这项研究为聚合物机械化学研究开辟了新方向，有望在材料科学、生物医学等领域带来创新成果。
