金属表面触发DNAzyme催化实现高效DNA切割：从均相催化到异相界面催化的突破

《Communications Chemistry》：Metal surface-triggered DNAzyme catalysis for efficient DNA cleavage

本研究报道了金属表面可直接激活DNAzyme（脱氧核酶）催化活性，打破了传统DNAzyme必须依赖溶解金属离子的局限。研究人员发现铜、钽、钒等金属表面可通过产生超氧阴离子（O2•-）触发PL DNAzyme的DNA切割活性，并证实该现象在F-8、Ag10c和I-R3等多种DNAzyme中具有普适性，为DNAzyme在异相催化系统和生物传感中的应用开辟了新途径。

　　

在生命科学领域，DNAzyme（脱氧核酶）作为具有催化功能的单链DNA分子，自从1994年被发现以来，一直是研究热点。与传统酶相比，DNAzyme具有稳定性高、成本低、易于合成修饰等优势，在生物传感、基因治疗和环境监测等领域展现出巨大应用潜力。然而，近三十年的研究确立了一个基本范式：DNAzyme的催化活性严格依赖于溶液中的金属离子作为辅因子。无论是经典的10-23、8-17 DNAzyme，还是特异性识别钠、银、锰等金属的DNAzyme，都必须在均相溶液环境中才能发挥作用。

这一固有认知限制了DNAzyme的应用场景。在复杂生物环境或工业催化体系中，金属离子的浓度、分布和稳定性往往难以精确控制，导致DNAzyme的实际效能大打折扣。更关键的是，固液界面处的催化行为几乎未被探索——如果DNAzyme能够直接在材料表面被激活，将开启全新的应用可能。

正是在这一背景下，吉林大学的研究团队在《Communications Chemistry》上发表了一项突破性研究，他们意外发现金属表面可以直接触发DNAzyme的催化活性，无需预先溶解金属离子。这一发现起源于研究人员设计电化学调控系统时的偶然观察：当将PL DNAzyme（一种具有手枪状二级结构的自切割DNAzyme）溶液滴加到铜丝表面时，即使没有添加任何铜离子，也发生了高效的DNA切割反应。

为开展本研究，研究人员主要采用了以下关键技术方法：通过变性聚丙烯酰胺凝胶电泳分析DNA切割效率；使用电感耦合等离子体质谱检测金属离子浸出浓度；利用活性氧清除实验验证反应机制；比较24种金属和10种非金属材料的表面催化效果；并考察了四种不同DNAzyme（PL、F-8、Ag10c、I-R3）的金属表面激活特性。

金属表面与PL DNAzyme活性的关系

研究人员首先系统比较了铜丝与PL DNAzyme传统辅因子系统的催化效率。结果显示，铜丝单独使用时产生的DNA切割效率与Cu²⁺+H₂O₂双辅因子系统相当，甚至略高于Cu²⁺+VC+H₂O₂三辅因子系统，且切割位点特异性完全相同。更重要的是，研究人员建立了一个最小反应系统——仅包含PL、金属表面和双蒸水，无需缓冲液或钠离子即可检测到明显的催化活性。动力学分析表明，铜表面接触1秒内即可检测到切割产物，15分钟达到反应饱和。

金属和非金属表面对PL活性的影响

研究团队系统评估了各种材料的表面催化效果。三种铜制品（片材、漏斗、壶）均表现出可比活性，新抛光表面活性反而比氧化表面低18-23%。四种流通硬币（人民币、美元、欧元、英镑）均能有效促进PL催化，活性排序为英镑>人民币>美元>欧元。表面接触面积与催化效率呈正相关，8根铜丝即可达到饱和。

最关键的是材料特异性研究：在测试的24种金属中，铜、钽、钒表现出高活性（≥70%切割率），铟、钛等8种金属显示中等活性，而铁、镍等13种金属活性可忽略。所有活性金属均产生相同的切割模式，表明保守的催化机制。相比之下，10种非金属材料（纸、玻璃、塑料等）均无任何催化活性。

PL催化反应的抑制因素

为探究机制，研究人员首先检测了金属表面浸出的离子浓度。虽然检测到微量金属离子（铜表面浸出5.592μM Cu²⁺），但表面接触溶液的活性比单纯使用浸出液高3.4-4.6倍，而10μM Cu²⁺溶液仅产生<5%的切割活性，说明溶解离子不是主要效应。

通过系列清除实验，研究人员揭示了活性氧的关键作用：过氧化氢酶（CAT）抑制49-57%活性，表明内源性H₂O₂生成；硝基蓝四唑（NBT）和细胞色素c（Cyt c）作为超氧阴离子（O₂^•-）清除剂，分别将活性从61%降至17%和21%；而EDTA+NBT联合处理几乎完全抑制活性（63%→2%）。这些抑制效应在钒、钽金属系统同样有效，证明超氧阴离子介导的催化途径具有普适性。

溶解氧对PL催化的影响

研究人员通过沸煮除氧和氮气 purge 实验证实了溶解氧的必要性：氮气处理系统几乎完全抑制PL活性，而重新引入氧气可恢复甚至增强催化性能。这表明溶解氧在金属表面被还原为O₂^•-，是催化循环的关键步骤。

PL催化反应的增强因子

研究还发现，维生素C（VC）、谷胱甘肽（GSH）和儿茶酚等已知增强因子可进一步提升金属表面系统的催化效率。在铜表面接触溶液中，GSH增强效果最优；而在钽系统中，VC增强最显著。特别有趣的是，在钒表面接触溶液中，增强因子无效，但在其浸出液中VC有效，表明不同金属的激活机制存在差异。

本研究最终阐明了金属表面激活DNAzyme的分子机制：金属表面通过氧化反应释放微量金属离子（如Cu→Cu²⁺），这些离子与金属表面发生氧化还原平衡生成低价态离子（如Cu²⁺→Cu⁺），后者与溶解氧反应生成超氧阴离子（Cu⁺+O₂→Cu²⁺+O₂^•-），进而触发DNA切割。这一循环过程解释了为什么EDTA（螯合Cu²⁺）、CAT（分解H₂O₂）和O₂^•-清除剂均能抑制反应，而还原剂如GSH可通过促进Cu⁺生成而增强催化。

更重要的是，研究人员证实这一现象并非PL DNAzyme特有：F-8 DNAzyme可被锰表面激活，Ag10c DNAzyme被银表面激活，I-R3 DNAzyme被锌表面激活。这表明"金属表面激活活性"可能是DNAzyme的普遍特性，甚至可能扩展到RNAzyme（核酶）、XNAzyme等其它催化核酸。

这项研究打破了DNAzyme必须依赖溶解金属离子的传统认知，将DNAzyme催化从均相系统扩展到异相界面环境。金属表面作为DNAzyme的宏观辅因子，不仅丰富了基础催化理论，也为开发新型界面生物传感器、工业生物催化剂以及基于活性氧的 therapeutic 干预策略提供了新思路。未来，通过体外筛选针对金属表面兼容性优化的DNAzyme，有望获得在固液界面反应中表现更优的催化剂，进一步推动DNAzyme在生物技术和纳米医学中的应用。