Nat Commun丨當液態金屬開始“剪DNA”：一種極簡人工酶的新可能

如果不用復雜的蛋白結構，僅依靠一種簡單的金屬材料，能否實現類似酶的功能？這個看似“反常識”的問題，正在被材料科學重新回答。

近期，英國南安普頓大學張成晨課題組聯合悉尼大學Kourosh Kalantar-Zadeh教授，在Nature Communications發表論文：Gallium in liquid state shows nuclease-mimicking activity。提出了一種基于液態金屬鎵的核酸酶模擬體系。在沒有任何配體或生物分子輔助的條件下，實現了類似核酸酶的DNA剪切功能，為人工酶設計提供了全新的思路。

一、一個“反直覺”的發現

傳統人工核酸酶通常依賴精密的分子設計，例如多金屬中心或復雜配體結構來實現對DNA的識別與切割。然而，該研究提出了一種完全不同的思路：僅依賴液態鎵（Ga）微/納米液滴，即可實現DNA剪切功能。 如圖1所示，這些液態鎵液滴在水和氧存在條件下即可表現出核酸酶樣活性，并且具有一定的序列偏好性——優先切割 T-T 和 A-A 位點。這一結果突破了傳統 “結構決定功能”的人工酶設計范式，展示了元素級材料也可以具備選擇性生物功能。

圖1 液態鎵液滴通過界面吸附與·OH介導水解實現DNA剪切

二、機制：一切發生在“界面”

這一體系的核心不在于“材料本身”，而在于其動態界面行為。整體機制可以分為三個關鍵步驟 ：

? DNA界面吸附: 液態鎵表面的氧化層（如Ga?O?/GaOOH）首先作為 “平臺”，通過靜電作用與范德華力將DNA分子吸附并富集到界面。

? 界面原位生成ROS: 在水和氧的參與下，液態鎵表面發生電子轉移反應，生成多種活性氧物種（ROS），其中以羥基自由基（·OH）為主導活性物種。

? ROS介導的水解斷裂: 不同于傳統Fenton體系中對堿基的隨機氧化，該體系主要通過·OH參與的磷酸二酯鍵水解實現DNA斷裂，更接近天然核酸酶的作用方式。

研究的一個關鍵發現是：固態鎵幾乎不具備該活性，而液態狀態是功能產生的前提。其本質原因在于液態鎵具備：1） 動態重構的界面（持續暴露新活性位點）； 2） 高密度自由電子（支持持續電子轉移）； 3） 可破裂/再生的氧化層結構。這些特性共同構成一個“自更新”的反應界面，使得ROS能夠持續生成，從而維持核酸酶樣活性。

除了基礎活性之外，該體系還表現出高度的可調控性：1） 通過調節液滴尺寸改變反應效率 ； 2） 通過合金化調控界面化學性質 ；3） 通過外部刺激（如超聲、激光、pH變化）實現活性增強或調控。 這意味著該體系不僅是一個“功能材料”，更是一個可設計、可編程的人工酶平臺。

三、研究意義總結

這一工作的重要性，不僅在于“發現了一種新型核酸酶”，更在于提出了一種新的科學范式：

? 極簡人工酶設計（Minimalist enzyme mimic）： 傳統人工酶通常依賴復雜的分子結構與精細的化學修飾，而該研究表明，僅通過簡單的元素級材料與界面調控，即可實現類似酶的功能，為低復雜度、高可拓展性的人工酶設計提供了新路徑。這種“去復雜化”的策略有望降低人工酶體系的設計門檻，并提高其在實際應用中的可實現性。

? 界面驅動的生物化學反應： 該體系將“功能來源”從分子結構轉移到材料界面，強調電子轉移、界面吸附與局部反應環境在生物化學過程中的核心作用，為理解和設計新型催化體系提供了不同于傳統分子催化的視角。這一機制也為開發新型反應平臺（如界面催化、生物界面工程）提供了理論基礎。

? 非生命系統的類生命行為： 簡單的無機材料體系能夠表現出選擇性、可調控甚至類似“功能分工”的行為，體現出一定程度的類生命特征，為構建人工生命系統與合成生物體系提供了新的基礎單元。

博士生劉麗（悉尼大學，負責主要實驗）、博士生蘆溪（南安普頓大學，負責機理探索和分析）和鄭杰偉博士（皇家墨爾本理工大學，負責理論計算）為本文共同第一作者（排名不分先后）。

招聘：

張成晨博士課題組(chengchenzhanglab.com)一直致力于研究基于鎵的液態金屬與生物分子之間的相互作用及其機理，并探索其在生物醫學領域的應用. 目前課題組正在招收一名全獎博士（2026年秋入學）和一名博后（1年，可延長至2年，需具備理論計算背景）。 歡迎有興趣的同學聯系咨詢詳情。

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文章鏈接： https://www.nature.com/articles/s41467-026-71346-7

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