Biomacromolecules | 蛋白-聚合物偶联物作为生物相容性ATRP催化剂

吕华课题组 · 公众号 · 科研化学 · 2025-01-15 15:00

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大家好，今天为大家分享一篇最近发表在 Biomacromolecules 上的文章，题目为 Protein−Polymer Conjugates as Biocompatible and Recyclable ATRP Catalysts 。这篇文章的通讯作者是来自南丹麦大学的 Changzhu Wu 教授。

原子转移自由基聚合（ ATRP ）是一种可控自由基聚合技术，可实现生产各种分子量和多分散性精确控制的功能聚合物。然而，由于催化剂铜络合物有一定的细胞毒性，将 ATRP 应用于生物体仍然具有挑战性。现在已有一些文献报道利用金属蛋白酶成功介导生物体内 ATRP 聚合，但是天然蛋白酶稳定性和可回收性差，限制了其应用范围。

在本文中，作者开发了一种基于蛋白质 - 聚合物偶联物的 ATRP 人造酶。该人造酶由牛血清白蛋白 BSA 引发侧链含脯氨酸的丙烯酸酯单体聚合而来，然后与铜离子络合，形成蛋白质 - 聚合物 - 铜偶联物（ ArPoly ，图 1 ）。 ArPoly 中的铜络合物可以在还原剂存在下同时含有 Cu(I) 和 Cu(II) 两种价态，从而可以实现 ATRP ；此外这种人造酶生物相容性高，可以在活细胞外聚合；并且其高分子量有利于其通过透析回收。

图 1. ATRP 人造酶 ArPoly 和蛋白质、细菌、细胞—聚合物偶联物的合成

为了合成 ATRP 人造酶，作者首先用活化酯对 BSA 表面的氨基功能化得到 BSA-MI ，基质解吸飞行时间质谱 (MALDI-TOF) 与 SDS-PAGE 表明反应成功，每个 BSA 大约 51 个引发剂（图 2a ）。随后作者用“ Grafting-from ”的方式从蛋白表面引发含脯氨酸的甲基丙烯酸酯单体在水溶液中聚合，形成最终的蛋白质 - 聚合物 - 铜偶联物。作者以 N - 异丙基丙烯酰胺（ NIPAM ）来验证 ArPoly 的催化能力， ArPoly 的催化活性与聚合度有关，具有中高聚合度的 ArPoly 活性较高，并且比传统 CuBr/Me ₆ TREN 体系具有更高的转化率和反应速率（图 2b ），作者认为可能高聚合度的 ArPoly 中具有更多的脯氨酸单元，对铜离子络合能力更强，使得蛋白表面局部铜离子浓度较高，提高了催化效率。此外，该催化剂可以多次利用回收，作者将 ArPoly 放入 14 kDa 透析袋中，催化在透析袋外部的聚合，聚合完后，透析袋可以取出再催化下一锅的聚合，并且活性几乎无丧失（图 2d ）。

图 2 . a) ArPoly 的表征， lane 2 ： BSA ， lane 3 ： BSA-MI ， lane 4 ： ArPoly 。 b) 不同催化剂的 ATRP 反应中 NIPAM 随时间的转化和一级动力学拟合； c) 不同催化剂合成的 polyNIPAM 的 GPC 曲线； d) ArPoly 回收率。

酶通常会受到金属离子的显著影响，在此，作者通过两种不同的催化剂 ArPoly 和传统 CuBr/Me ₆ TREN 催化合成了胺转氨酶（ ATA ）与 polyNIPAM 的偶联物。由人造酶 ArPoly 得到的偶联物 APNB （图 3c ， lane 3 ）的酶活保留达到 98% ，而由传统铜离子催化剂得到的偶联物 APNC （图 3c ， lane 4 ）的酶活几乎完全丧失（图 3e 、 f ），表明 ArPoly 具有较高的生物相容性。

图 3 . 酶 - 聚合物偶联物合成

随后作者分别在细菌和细胞表面尝试用 ArPoly 催化接枝 polyNIPAM 和荧光小分子单体。在没有催化剂存在时，细菌表面无荧光修饰（图 3b ，下）；而只有在 ArPoly 存在时，细菌表面发出明显的荧光（图 3b ，上），表明只有催化剂存在时才能成功偶联修饰。此外，作者用活 - 死染色证明，由 ArPoly 催化制备得到的细菌高分子偶联物 BPNB 生存活力更高（图 3c ，下），而传统铜离子得到的偶联物 BPNC 会使细菌死亡率较大。作者同样也在哺乳细胞 HEK-293 表面修饰了 polyNIPAM ，证明了这种策略的普适性和生物相容性。

图 4 . 细菌 - 聚合物偶联物合成与活性表征

总的来说，这篇文章介绍了一种基于蛋白质 - 聚合物偶联物（ ArPoly ）的新型 ATRP 催化剂，成功解决了传统金属催化剂在生物系统中的毒性问题。通过将脯氨酸单体聚合到牛血清白蛋白上并与铜离子复合，作者开发出一种兼具生物相容性、可调控性和可回收性的催化剂。实验验证了其对酶、大肠杆菌和 HEK 293 细胞的高兼容性，同时展示了其在表面功能化和聚合反应中的高效率和可回收性。这项研究显著拓展了 ATRP 技术在绿色化学、生物材料设计和工业生物技术中的应用潜力。

作者： ZHS 审校： LCY

DOI: 10.1021/acs.biomac.4c01342

Link: https://doi.org/10.1021/acs.biomac.4c01342