做活性自由基聚合太累!讓細菌幫你做啊!

由於氧氣具有自由基淬滅能力,自由基反應包括自由基聚合需要嚴格去除氧氣。對反應體系中的溶劑、試劑以及反應瓶的除氧操作常常需要耗費較多的時間和人力。利用酶反應除氧,能夠有效除去反應體系中的溶解氧,使得原子轉移自由基聚合(ATRP)和可逆加成-斷裂鏈轉移聚合(RAFT)這類可控自由基聚合能夠在敞開的有氧氛圍中進行。然而這類利用酶反應除氧的方法通常具有幾個明顯缺陷,一是需要代替犧牲試劑(sacrificial reagents),二是產生其他強氧化劑,三僅僅適用於少數的催化劑和單體。

受到酶反應除氧的啟發,近日美國德州奧斯丁大學的Benjamin K. Keitz教授團隊利用希瓦氏菌(Shewanella oneidensis (wild type, MR-1))實現瞭在敞開體系有氧環境中進行ATRP活性聚合。該工作在以 “Aerobic radical polymerization mediated by microbial metabolism”為題在《Nature Chemistry》上報道。兩年前,Benjamin K. Keitz教授團隊在《PNAS》上報到瞭希瓦氏菌能夠作為電子給體,在無氧情況下還原Cu2+成為Cu+並啟動ATRP聚合。作者偶然發現,實驗臺上含有希瓦氏菌的培養皿在有氧條件下依然能夠進行ATRP活性聚合。居於這一發現,作者系統研究瞭這一課題,發現希瓦氏菌可以在有氧敞開環境中利用ppm級濃度的催化劑對於多種單體實現ATRP活性聚合。希瓦氏菌在聚合體系中承擔著兩個作用,其一是利用呼吸代謝消耗反應體系中的溶解氧,其二是在能夠發生細胞外電子傳遞(extracellular electron transfer (EET))將Cu2+還原成Cu+並激活ATRP(圖一)。

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圖1,希瓦氏菌的同時具有利用呼吸作用消耗氧氣與利用EET通路激活催化劑雙重功能。

1. 希瓦氏菌能夠消耗溶解氧

作者首先證實瞭再希瓦氏菌濃度為OD600=0.2時,無論是在聚合條件還是自然狀態下均能夠在一小時之內將溶解氧消耗完(圖2A)。並通過控制變量實驗證實瞭,Cu2+-TPMA催化劑、引發劑、以及希瓦氏菌的低於ATRP活性聚合均不可或缺(圖2B)。更進一步,作者證實瞭加熱致死以及裂解致死的希瓦氏菌與大腸桿菌溶液均無法在有氧環境實現聚合,在無氧環境中裂解的希瓦氏菌與大腸桿菌溶液具有一定的聚合能力(圖2C)。緊接著,作者通過實驗發現當希瓦氏菌的濃度達到OD600=0.1及以上是才能夠及時有效地消耗反應體系中的溶解氧,保護ATRP聚合活性自由基不被淬滅(圖2D)。

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2.細胞外電子傳遞蛋白與聚合條件優化

除瞭通過代謝消耗溶解氧之外,希瓦氏菌的第二個重要功能便是細胞外的電子傳遞通路(EET)。EET通路末端由mtrC與omcA蛋白構成(圖3a),作者發現敲除mtrC與omcA蛋白的希瓦氏菌的聚合效率顯著低於野生型希瓦氏菌。此外作者也研究瞭TPMA, bpy, Me6TREN三種配體對於銅配合物催化劑效率的影響,其催化效率為TPMA > bpy > Me6TREN (圖3b和3c)。在銅催化劑之外,作者發現希瓦氏菌也能夠協同鐵、釕、鈷等催化劑進行ATRP活性聚合。此外,作者將該方法應用於多個種類單體的ATRP聚合,親水性的OEOMA300(0, HEMA, NIPAM等在有氧和無氧環境中均具有較高的轉化率和較好的分子量分佈 (表1)。在水中無法溶解且有毒的styrene單體則可以通過乳液的方式進行聚合,但轉化率較低。

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圖3,a, 希瓦氏菌的EET通路; b和c,不同菌群濃度下不同配體對於催化劑效率的影響。
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表1,不同種類單體在希瓦氏菌體系中有氧和無氧兩種環境中的ATRP聚合速率。

3. 通氧氣可以暫停但不終止聚合

更令人感動驚喜的是,在反應體系中鼓入氧氣氣泡,可以臨時暫停反應!當停止通入氧氣後,反應得以繼續進行。這是由於停止通氧後,希瓦氏菌通過代謝作用消耗溶解氧,並提供電子重新激活催化劑(圖4c和4d)。這一特點使得該方法能夠實現依賴氧氣濃度的ATRP聚合反應的時間與空間調控,可以作為傳統的光、力、電等刺激調控的重要補充!此外,作者通過先加入OEOMA300單體,並在2小時過後加入與HEMA單體,得到瞭POEOMA300-b-PHEMA嵌段共聚物(圖4a和4b),展示瞭該方法構建不同結構聚合物的能力。

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圖4,a,POEOMA300-b-PHEMA嵌段共聚物的合成;b,嵌段共聚物的GPC表征。c,d 通入氧氣後可以臨時終止聚合反應。

4. 凍幹的細菌也能用

讀到這裡,讀者或許會認為培養足夠量的希瓦氏菌依然比較麻煩,還是不夠方便!這個問題作者也想到瞭。於是作者通過實驗證明,凍幹後的希瓦氏菌粉末依然能夠在有氧條件下協助ATRP聚合,盡管效率要低於活的西瓦氏菌。鮮活的希瓦氏菌在聚合完成後,通過離心分離回收後,依然能夠繼續使用 (圖5)。這兩個實驗結果使得該方法的推廣與大規模使用具備瞭良好的基礎。

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圖5,凍幹與循環回收的西瓦氏菌依然能夠在有氧環境從協助ATRP反應的進行。

5.小結

本文作者展示瞭希瓦氏菌能夠通過代謝作用消耗溶解氧並通過細胞外電子傳遞通路激活ATRP催化劑,實現在有氧開放環境中的ATRP活性聚合。在ppm級催化劑的條件下,反應依然具有良好的可控性。在通入氧氣氣泡的條件下,可以臨時暫停聚合。凍幹的西瓦氏菌依然具有在有氧條件下協助聚合的能力,使得該方法具有良好的推廣基礎。

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