背景介绍
细胞内，DNA和RNA通过静电、疏水、氢键等多种弱相互作用，与蛋白质共同形成动态的生物分子凝聚体。这种凝聚不仅能高效压缩遗传物质，还能分区调控生化反应，提升生物反应效率与精度。如何在体外模拟这一过程，实现核酸的可编程凝聚，是生物材料领域的热点问题。现有方法多依赖阳离子聚合物等材料，通过非特异性电荷吸附无差别压缩核酸，无法区分碱基序列，导致凝聚体的密度、结构和功能都难以精确调控； DNA纳米技术虽精准可控，但序列设计复杂，通用性差。因此，亟需发展一种既通用又能“读懂”序列信息的核心凝缩新策略。
中国科学院宁波材料所王凯喆团队在 JACS Au 发表研究，发现一类碳点（CDs）可作为碱基选择性的核酸凝聚平台，可以根据碱基序列的不同，组装出结构和功能可调的凝聚体（图1）。
图1.碳点编程凝缩核酸示意图
文章亮点：
（1）广谱凝聚能力：柠檬酸乙二胺CDs能凝聚短链DNA（32个碱基）、长链DNA（M13，7249个碱基）乃至mRNA（1007个碱基），形成直径数十到上百纳米的球形颗粒。尤其对于长链DNA，凝聚过程呈现多级折叠，从桥接到环状，再到密集堆积，酷似细胞内组蛋白压缩DNA的方式。
（2）明确碱基选择性：实验和分子动力学模拟共同揭示，CDs对不同碱基的结合强度排序为 G > C > T > A。这一选择性源于CDs表面独特的电荷分布，CDs内部近乎中性，中间带负电，外围带正电，这种“梯度”能有效识别不同碱基的电子特性。
（3）可编程结构设计：利用上述选择性，团队设计了带poly(A)尾的DNA，由于poly(A)与CDs作用最弱，该区域会“伸”出凝聚体表面。引入带有poly(T)的金纳米颗粒，成功让这些颗粒附着在poly(A)区域，形成“杨梅状”的异质结构，证明可通过序列设计操控凝聚体的空间排布。
（4）凝聚体功能可编程：受天然核糖核蛋白颗粒调控基因表达的启发，团队通过调节凝聚体的致密程度，在无细胞体系中实现了对GFP mRNA翻译的编程控制。松散型凝聚体使GFP蛋白产量提升3.7倍（相比游离mRNA），而通过引入CG富集序列构建的致密凝聚体则显著抑制翻译，模仿了天然生物分子凝聚体的功能。
总结与展望
这项研究首次将碳点打造成一个“可编程的核酸凝缩平台”，打破了传统静电凝聚“一视同仁”的局限，实现了对核酸序列的差异性识别与可控凝缩。凭借其简单、通用且可设计的特性，该平台有望在人工细胞构建、mRNA疫苗、DNA数据存储及核酸药物递送等领域发挥实际作用，为智能生物材料开发提供新思路。
相关论文发表在期刊JACS Au上，中国科学院宁波材料所胡铖益、何东东、牛梓彤为共同第一作者，通讯作者为上海大学李江研究员、中国科学宁波材料所王宇辉副研究员、上海同步辐射光源周利民副研究员、中国科学宁波材料所王凯喆副研究员。
文章链接：Chengyi Hu, Dongdong He, Zitong Niu, Yu Li, Junjie Fan, Kejian Ding, Yuan Li, Pan Fu, Sihua Qian, Jiang Li, Yuhui Wang, Limin Zhou, Kaizhe Wang; Carbon Dots as Electrostatically Driven Base-Selective Chemical Compilers for Programmable Nucleic Acid Condensation. JACS Au 2026; https://doi.org/10.1021/jacsau.6c00844.