免费av大片在线看_日本久久东京热午夜_日韩欧美亚洲中文字幕国_大战刚结婚的少妇_亚洲AV成人综合网成人_91九色丨PORNY丨交换_成人动漫网站_欧美在线专区

  可逆失活自由基聚合（RDRP）技術(shù)，包括原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）和可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合，是構(gòu)筑具有可控分子量及其分布、化學(xué)組成以及鏈拓?fù)渑c結(jié)構(gòu)的精確聚合物的強(qiáng)有力手段。由于這些技術(shù)能夠精確調(diào)控多種單體體系的聚合過程，因此已廣泛應(yīng)用于界面工程、3D打印、聚合物網(wǎng)絡(luò)構(gòu)筑、分子印跡以及聚合物-生物分子偶聯(lián)等領(lǐng)域。由活細(xì)胞介導(dǎo)的RDRP在構(gòu)建工程化活性材料方面具有重要價(jià)值，因?yàn)槠鋵⑸锛夹g(shù)與高分子化學(xué)相結(jié)合，可在溫和條件下制備結(jié)構(gòu)精確的聚合物。特別是自由基聚合過程優(yōu)異的生物相容性，RDRP在活細(xì)胞修飾中的應(yīng)用受到了廣泛關(guān)注。例如，通過細(xì)胞外RDRP合成的聚合物可用于細(xì)胞包覆或細(xì)胞表面工程，而細(xì)胞內(nèi)合成的聚合物可用于調(diào)控生物體的功能與行為，并構(gòu)建具有自適應(yīng)與可編程能力的生物雜化系統(tǒng)或活性材料，用于細(xì)胞治療等醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。在大部分體系中，細(xì)胞原位發(fā)生的聚合反應(yīng)主要由外部刺激（如光）觸發(fā)，而細(xì)胞代謝對(duì)聚合過程幾乎不產(chǎn)生影響或調(diào)控。因此，構(gòu)建由微生物代謝途徑直接觸發(fā)并在細(xì)胞原位進(jìn)行的RDRP體系，對(duì)于合成具有“生命化”功能的合成材料具有重要意義。

  Alexander、Keitz和Rawson等研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道利用細(xì)菌的金屬還原活性實(shí)現(xiàn)了多種活細(xì)胞觸發(fā)的ATRP過程。然而，由于RAFT聚合需要持續(xù)提供自由基以啟動(dòng)并維持聚合，這對(duì)發(fā)展活細(xì)胞觸發(fā)的RAFT體系提出了挑戰(zhàn)。最近，Qiao課題組報(bào)道了微生物觸發(fā)的RAFT聚合，利用細(xì)菌末端電子傳遞鏈還原外源芳基重氮鹽引發(fā)劑，從而生成芳基自由基以啟動(dòng)RAFT聚合。盡管活細(xì)胞能夠還原外源自由基引發(fā)劑，但生成的自由基會(huì)導(dǎo)致聚合物分子結(jié)構(gòu)中的端基異質(zhì)性和聚合鏈終止，從而影響了高分子的物理化學(xué)性質(zhì)并限制了在生物高分子材料領(lǐng)域的應(yīng)用。特別是在聚合反應(yīng)過程中，外源引發(fā)劑產(chǎn)生的自由基不僅會(huì)生成新的聚合鏈（引發(fā)劑來源的鏈），降低目標(biāo)聚合物的分子量，還會(huì)導(dǎo)致終止鏈的逐步累積，提高聚合物分散度。這種副反應(yīng)的影響在嵌段共聚物的制備中尤為明顯，最終難以獲得高純度的嵌段聚合物。此外，為實(shí)現(xiàn)較高聚合轉(zhuǎn)化率，RAFT通常需要使用高濃度自由基引發(fā)劑，這會(huì)造成明顯的細(xì)胞毒性，從而限制活細(xì)胞觸發(fā)RAFT聚合體系的發(fā)展。

  為消除外源引發(fā)劑對(duì)聚合反應(yīng)的影響，近年來發(fā)展了多種依賴外部刺激（如光、電）的RAFT聚合調(diào)控方法，能夠通過觸發(fā)電子轉(zhuǎn)移還原鏈轉(zhuǎn)移試劑（chain transfer agent, CTA）生成自由基，從而引發(fā)RAFT聚合。因此，通過生物還原CTA產(chǎn)生引發(fā)自由基有望成為構(gòu)建活細(xì)胞觸發(fā)RAFT聚合的替代策略。然而，在生理?xiàng)l件下，微生物產(chǎn)生的電子介體的還原電位通常高于CTA的還原電位。因此，在熱力學(xué)上，電子介體難以還原CTA產(chǎn)生自由基，這也成為構(gòu)建活細(xì)胞原位觸發(fā)RAFT聚合體系的關(guān)鍵難題。

  近期，東北大學(xué)生命科學(xué)與健康學(xué)院/天津大學(xué)合成生物技術(shù)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室宋浩團(tuán)隊(duì)基于電活性微生物希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）的胞外電子傳遞（extracellular electron transfer, EET）性質(zhì)，開發(fā)了一種微生物觸發(fā)的可控的可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合系統(tǒng)（圖 1）。該體系利用工程化S. oneidensis 分泌的黃素類物質(zhì)（包括核黃素riboflavin、和黃素單核苷酸FMN）作為電子介體，其光激發(fā)能夠直接高效還原自由基聚合的CTA，從而產(chǎn)生自由基，啟動(dòng)并維持RAFT聚合。結(jié)合微生物細(xì)胞電子傳遞和光激發(fā)的協(xié)同機(jī)制，該技術(shù)可以避免使用自由基聚合的引發(fā)劑，從而避免了合成高分子結(jié)構(gòu)中的端基異質(zhì)性，實(shí)現(xiàn)了高聚物分子機(jī)構(gòu)的有效調(diào)控。通過合成生物學(xué)與聚合反應(yīng)的交叉融合，構(gòu)建了一個(gè)電活性細(xì)胞驅(qū)動(dòng)的自由基RAFT聚合的可持續(xù)、可控的聚合反應(yīng)平臺(tái)。

  2025年11月21日，該工作以“Photo-excited extracellular electron transfer of electroactive microorganism triggers RAFT polymerization”為題發(fā)表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2025, 16, 10257）。文章第一作者為東北大學(xué)生命科學(xué)與健康學(xué)院李超博士和南開大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院博士后劉靜博士，宋浩教授為論文通訊作者。該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國家自然科學(xué)基金委的支持。

圖1. 通過基因工程改造的Shewanella oneidensis 的光激發(fā)胞外電子轉(zhuǎn)移構(gòu)建電活性微生物觸發(fā)的可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)移（RAFT）聚合體系。首先，通過合成生物學(xué)方法，將來源于Bacillus subtilis的黃素類化合物（flavins）生物合成途徑和來源于Pseudomonas aeruginosa的孔蛋白OprF異源表達(dá)于S. oneidensis，以增強(qiáng)黃素的合成與分泌能力。其次，黃素作為電子介體，將微生物的胞外電子轉(zhuǎn)移（EET）與光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）耦合，用于還原鏈轉(zhuǎn)移劑（CTA，如硫羰基硫類），從而產(chǎn)生自由基并觸發(fā)微生物介導(dǎo)的RAFT聚合。在該過程中，電子傳遞途徑包括三個(gè)步驟：（i）工程化S. oneidensis通過D-乳酸代謝產(chǎn)生的電子經(jīng)過胞內(nèi)電子傳遞過程；（ii）黃素經(jīng)EET過程被還原；（iii）CTA經(jīng)PET過程被還原。具體而言，S. oneidensis代謝D-乳酸所產(chǎn)生的電子首先通過細(xì)胞質(zhì)膜蛋白CymA傳遞，進(jìn)而還原周質(zhì)蛋白，這些蛋白再將電子傳遞至Mtr通路（即電子經(jīng)MtrA傳遞至MtrC和OmcA）。隨后，電子進(jìn)一步傳遞至細(xì)胞內(nèi)源分泌的黃素分子。通過EET途徑對(duì)黃素（FL）進(jìn)行生物還原，生成完全還原態(tài)的黃素氫醌（FL_hq）。在光激發(fā)下，FL_hq形成光激發(fā)中間體FL_hq*，該中間體通過PET還原CTA，產(chǎn)生自由基并啟動(dòng)RAFT聚合。

  在傳統(tǒng)RAFT聚合中，外加自由基引發(fā)劑可能對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生毒性，并導(dǎo)致聚合產(chǎn)物的端基異質(zhì)性。因此，為了消除對(duì)外源自由基引發(fā)劑的依賴，作者首先探索構(gòu)建了黃素介導(dǎo)的電活性微生物胞外電子轉(zhuǎn)移驅(qū)動(dòng)的RAFT聚合體系（圖 2a）。然而，在該條件下，無論使用核黃素還是FMN，都無法實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)（圖 2b）。通過循環(huán)伏安法（CV）分析了黃素及一系列 CTA 的電化學(xué)性質(zhì)，計(jì)算得到從FL_hq向CTA的電子轉(zhuǎn)移的吉布斯自由能ΔG_EET為正（ΔG_EET > 0）（圖 2c），表明黃素還原 CTA 的反應(yīng)在熱力學(xué)上不可行，因此在該條件下無法生成自由基引發(fā)聚合。光誘導(dǎo)電子轉(zhuǎn)移（PET）是一種被廣泛應(yīng)用的機(jī)制，它能夠?qū)崿F(xiàn)分子在基態(tài)下無法進(jìn)行的電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)。因此為克服電子轉(zhuǎn)移的熱力學(xué)障礙，作者利用FL_hq作為光催化劑，在藍(lán)光照射下，通過PET過程還原CT產(chǎn)生自由基引發(fā)聚合反應(yīng)（圖 2b）。為進(jìn)一步闡明反應(yīng)機(jī)理，作者采用密度泛函理論（DFT）計(jì)算了黃素氫醌激發(fā)態(tài)（FL_hq*）的還原電位，計(jì)算得到從激發(fā)態(tài)FL_hq*向CTA1的PET吉布斯自由能ΔG_PET分別為 -33.76 kcal mol?1（Riboflavin_hq*）和 -30.23 kcal mol?1（FMN_hq*）（圖 2c），進(jìn)一步支持了FL_hq* 還原CTA在熱力學(xué)上是可行的。

圖2. S. oneidensis 觸發(fā)的RAFT聚合的熱力學(xué)分析。

  為了考察微生物介導(dǎo)的聚合反應(yīng)的可控性，作者分別以核黃素和FMN作為電子介體進(jìn)行了聚合動(dòng)力學(xué)研究。動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)表明（圖3），微生物觸發(fā)的自由基聚合反應(yīng)符合可控自由基聚合的特征，并可通過光開關(guān)實(shí)現(xiàn)聚合反應(yīng)的實(shí)時(shí)調(diào)控。值得注意的是，在聚合反應(yīng)開始前未觀察到以往PETRAFT研究中常見的誘導(dǎo)期，進(jìn)一步說明該體系能夠增強(qiáng)RAFT聚合中的自由基啟動(dòng)過程。在成功建立黃素介導(dǎo)的RAFT聚合體系后，進(jìn)一步研究了外加黃素濃度對(duì)RAFT聚合的影響。如圖3f和3g所示，當(dāng)黃素濃度從0.2 μM增加到20 μM時(shí)，聚合反應(yīng)速率呈線性增加。盡管在RAFT聚合中外源添加商業(yè)化的核黃素或FMN可以顯著提高單體轉(zhuǎn)化率，但作為昂貴添加劑的成本將限制其在大規(guī)模聚合中的應(yīng)用。因此，開發(fā)一種能夠增強(qiáng)內(nèi)源黃素合成能力的工程化S. oneidensis菌株，對(duì)于調(diào)控RAFT聚合性能至關(guān)重要。

圖3. 外加黃素（核黃素與FMN）條件下S. oneidensis觸發(fā)的RAFT聚合動(dòng)力學(xué)。

  為了提高S. oneidensis觸發(fā)的RAFT聚合體系中的黃素水平，作者開發(fā)了一種模塊化合成生物學(xué)策略，以增強(qiáng)黃素的生物合成和跨膜轉(zhuǎn)運(yùn)（圖 4）。首先為了增強(qiáng)黃素生物合成途徑的表達(dá)并提升黃素產(chǎn)量，系統(tǒng)研究了若干與S. oneidensis兼容的啟動(dòng)子。篩選到工程菌株Ptet的黃素產(chǎn)量和相應(yīng)的聚合速率均顯著提高。然后將孔蛋白OprF引入重組Ptet菌株，以增強(qiáng)黃素轉(zhuǎn)運(yùn)。為了避免孔蛋白過度表達(dá)引起的細(xì)胞毒性，設(shè)計(jì)了若干核糖體結(jié)合位點(diǎn)（RBS）調(diào)控OprF 的表達(dá)水平。結(jié)果表明，通過優(yōu)化OprF表達(dá)，工程菌株P-RBS可加速黃素穿膜轉(zhuǎn)運(yùn)，提高胞外黃素濃度，從而提升聚合單體轉(zhuǎn)化率。進(jìn)一步評(píng)估P-RBS4介導(dǎo)的聚合動(dòng)力學(xué)，觀察到單體轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)時(shí)間呈線性增加，分子量分布隨轉(zhuǎn)化率變化規(guī)律符合可控聚合特征。為研究EET組分（即c-Cyts）對(duì)RAFT聚合的影響，我們進(jìn)一步考察了敲除特定c-Cyts對(duì)聚合動(dòng)力學(xué)的影響。結(jié)果表明c-Cyts在將電子從細(xì)胞輸送至胞外黃素中的關(guān)鍵作用，并可通過遺傳改造進(jìn)行有效調(diào)控。

圖4. 對(duì)S. oneidensis進(jìn)行基因工程改造以實(shí)現(xiàn)并優(yōu)化黃素的從頭合成與分泌，以及其對(duì)RAFT聚合單體轉(zhuǎn)化率的影響。

  綜上所述，作者構(gòu)建了一種由電活性微生物S. oneidensis觸發(fā)的RAFT聚合體系，該體系能夠通過微生物直接還原CTA，并結(jié)合光激發(fā)連續(xù)產(chǎn)生自由基，從而避免聚合物中端基異質(zhì)性，并維持RAFT聚合的進(jìn)行。其中生物還原與光激發(fā)協(xié)同作用，使電子能夠從細(xì)胞高效轉(zhuǎn)移至CTA，克服了細(xì)胞分泌黃素直接還原CTA所面臨的熱力學(xué)障礙。利用該工程化的S. oneidensis驅(qū)動(dòng)聚合反應(yīng)體系，作者成功實(shí)現(xiàn)了多種單體和CTA的RAFT聚合，獲得了單分散性良好的均聚物和嵌段共聚物，其單體轉(zhuǎn)化率可高達(dá) 99%，分散系數(shù)（D）可低至1.11。這一微生物觸發(fā)的RAFT聚合體系將成為實(shí)現(xiàn)活性微生物介導(dǎo)RAFT聚合的有力手段，并有望拓展至更多活體生物體系。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65119-x