《德国应化》：用细菌合成高分子！

一、研究背景：意义与现状，存在的问题

自然界存在的大量结构复杂的大分子物质，用于产生、维持和繁衍生命。然而，具有丰富多样性的生物大分子来源于一系列特殊的小单体，它们以多种方式进行聚合和重构。近年来，仿生高分子的合成技术得到迅猛发展，在制备复杂、具有可控序列结构材料的方法上取得了重大进展。这些合成的生物基新型高分子材料在信息存储和处理、生物医学传感和治疗等领域表现出巨大的应用前景。因此，细胞系统与生物合成的杂化聚合物将自然和人工系统的优势结合在一起，产生一个全新的“可控物质”领域。原核生物为制备生物基杂化材料提供了巨大潜能，例如，众多细菌菌株被用作燃料电池的组分，生物修复系统，以及合成生物学领域。利用细菌为媒介可以合成多种聚合物，产生细胞外基质（ECM），以及细胞群落。可以采用基因工程合成技术，细菌利用ECM将其应用范围拓展到“非生物”化学领域将带来巨大的应用潜力。特别地，细菌细胞与合成聚合物基质相结合可促进燃料电池中的电子转移，或利用细菌以天然ECM的培养条件下，细胞通过降解或变性有助于生物体修复或发酵。为实现上述目标，利用细菌在原位或附近产生聚合物，生物自身的选择透过性使细胞“选择”哪些单体在其直接环境中聚合形成我们所需的聚合物材料成为大家所关系的重要问题。

二、研究成果

近日，诺丁汉大学F .J. Rawson教授课题组在细菌介导自由基聚合领域取得重要进展。该工作介绍了一种新型细菌介导的铁催化可逆失活自由基聚合（RDRP），该聚合方法实现了利用细菌的代谢与基质小分子间的化学反应合成一系列新型聚合物。根据细菌的氧化还原酶活性为指标，考察了细菌的种类，例如，贪铜菌、大肠杆菌和生孢梭菌对其聚合能力的影响。利用细菌在水溶性合成体系中制备了聚合物，这样不仅能充分保存细胞活力，而且这种方法提供了一种利用细菌在“宿主”细胞中进行氧化还原反应生成“人造”聚合物的方法。该工作以标题“Iron Catalysed Radical Polymerisation by Living Bacteria” 发表于国际顶级学术期刊Angewandte Chemie上。诺丁汉大学M. R. Bennett博士为本文的第一作者。

本文亮点：

1：本研究创造性的开发出一种新颖的生物相容性铁催化AGET-ATRP方法。

2：该种聚合方法提供了一种利用细菌在“宿主”细胞中进行氧化还原反应生成“非自然”聚合物的方法，从而建立了制备天然-合成生物高分子杂化材料及耦合物可能性。

3：该技术可在细胞内制备各种合成-天然杂化材料。其中包括通过导电聚合物进行多重传感的细菌、用于生物反应器或生物修复，甚至可以植入微生物内部进行聚合物的合成。

图1 利用细菌介导铁催化自由基聚合过程

三、研究思路与具体研究结果讨论

图2 A）在铁催化RDRP下，利用细菌引发氧化-还原转化反应过程。B）具有不同功能性的丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯单体的结构。C）铁催化剂配体。D）Fe/配体催化剂上AGET-ATRP作用过程的表征。E）潜在应用。

虽然铁介导的ATRP反应在有机溶剂中已被用于形成聚合物，但在生物学良性条件下，未出现铁催化ATRP反应的相关报道。在该工作中，活细胞体对于聚合反应是必不可少的，这表明若要引发聚合反应，则必须在活细胞体中进行。在37℃下，水溶性单体聚（乙二醇甲醚甲基丙烯酸酯）的铁催化AGET-ATRP与三（2-二甲氨基乙基）胺和抗坏血酸进行氧化还原反应。5小时后，其单体反应转化率达到79%。SEC数据表明了其分子量分布比较宽（Ð=1.6），这可能是由于低引发效率引起的。在探索使用一系列螯合配体的动力学曲线之后发现，三[2-（2-甲氧基乙氧基）乙基]胺在低温（37°C）下未能介导聚合反应，这与先前文献中报道的结果具有一致性。相比之下，双齿配体2，2-吡啶（Bpy）诱导了更快的聚合，这可能是由于铁中心的配位结构不受阻碍，致使卤素与金属的交换过程具有快速、高效的特征。然而，在还原形式下，Br向聚合物链的转移反应被认为是十分困难的，使得反应不受控制（Ð=1.6）。

图3 A）C.met引发Fe-AGET-ATRP（PPEGMA，T=5h）的1H NMR（400 MHz，D2O）谱（蓝色，顶部）。对照组为无细菌（黑色，中间）和无催化剂（红色，底部）。B）1H NMR（400 MHz，D2O）B-ATRP（T=24小时）。反应A（顶部，蓝色）由C.met.引发，反应B（中间，黑色）中无细菌，反应A*（底部，红色）有灭活细菌。C）与ATRP的活细菌相对应的活/死图像。

在缺氧条件下，通过PEGMA单体与C.MET、FeIII/Me6TREN和HEBIB反应成功地生成聚合物。为了进一步确认这些生成的聚合物是否真正通过“ATRP”型反应而来，进行了相关的实验验证。实验结果表明，i）细菌负责激活FeCl3催化剂，ii）催化剂在ATRP聚合中有重要作用。预计金属蛋白将在24小时内催化转化率达到28%。当不存在ATRP引发剂或当细菌被杀死时，观察到极低的单体转化，表明活细菌和ATRP卤化物引发剂对于促进聚合反应是必需的。这也表明，在没有外部自由基的情况下，如ROS（氢氧自由基），仅仅是通过细胞应激产生的聚合反应。聚合后立即进行活/死染色和CFU计数。约85%的C.MET细菌在聚合后仍保持代谢活性（活/死分析），其值与对照培养物（80%）相匹配。

图4 A）使用不同浓度的细菌引发b-ATRP反应的1H NMR（400 MHz，D2O）动力学图。b）使用不同浓度的催化剂b-ATRP反应的1H NMR（400 MHz，D2O）动力学图。C）不同DPs下b-ATRP反应的1H NMR（400 MHz，D2O）动力学图。D）不同引发剂类型b-ATRP反应的1H NMR（400 MHz，D2O）动力学图。E）使用不同浓度的细菌产生聚合物的SEC（THF）覆盖层。F）使用不同浓度的催化剂产生聚合物的SEC（THF）覆盖层。

四、研究小结

本工作开发了一种新型生物相容性铁催化AGET-ATRP方法。其中，Me6TREN对亲水性大分子单体PEGMA的聚合是有效的。并且该体系与多种水溶性单体表现出良好的相容性，显示出其具有创造多组分材料的潜力。不同类型的细菌C.met、E.coli和C.spor被成功地用于引发聚合反应，进一步表明聚合过程的多功能性。该技术可用于在生物体内制备出各种合成-天然杂化材料。

参考文献：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.201915084

来源：高分子科学前沿