蛋白质原位引发开环聚合研究取得一系列进展

蛋白质原位引发开环聚合的研究取得了一系列进展。

蛋白质-聚合物缀合物是一种连接生物大分子和合成大分子的杂化分子。它在医学、酶工程、可控自组装等领域具有重要的应用价值。这类分子可以通过蛋白质与预先合成的聚合物之间的化学键合(Grafting-to)来合成，也可以通过蛋白质引发的小分子单体原位聚合接枝-来制备。接枝法具有反应效率高、分离纯化方便等优点。但目前仅限于水中自由基聚合，制备的聚合物不能生物降解。如何通过接枝有效地制备蛋白质可降解聚合物偶联物是一个有待克服的难题。化学与分子工程学院鲁花研究组长期致力于开发温和、高效、简便的蛋白质-聚合物偶联方法及其生物医学应用。最近，他们在蛋白质原位开环聚合的研究中取得了一系列进展。

1.进展：水加速效应促进蛋白质-聚脯氨酸偶联物的原位合成。

Polyaline是一种中性水溶性聚氨基酸，由脯氨酸N-羧基环酐(ProNCA)开环聚合而成，通常需要严格的无水条件，耗时长达一周。鲁花研究组意外地发现了ProNCA开环聚合中异常的水加速现象。以普通伯胺为引发剂，在乙腈-水混合溶剂中可以实现可控聚合。聚合反应可在30秒至5分钟内完成，最高聚合度为200。机理和密度泛函理论(DFT)计算表明，水在聚合过程中起着质子穿梭的作用，有助于决定性步骤的质子转移过程，从而使反应能垒降低了7.1 kcal/mol，明显加速了聚合过程。

由于反应条件温和，操作简单，易于纯化，他们进一步用蛋白质赖氨酸残基引发ProNCA开环聚合，获得了蛋白质-聚脯氨酸偶联物的原位生长。以药物蛋白门冬酰胺酶为起始物，这种方法可以一步制备门冬酰胺酶-聚脯氨酸缀合物(图1)。与野生型蛋白相比，该缀合物可增加其抵抗极端环境的能力，显著延长血液循环时间，提高体内肿瘤杀伤效果，降低药物的原生性，显示出广阔的药用前景。脯氨酸是胶原蛋白中富含的氨基酸成分，聚脯氨酸的PPII螺旋结构与胶原蛋白相似。未来，聚丙烯及其共聚物有望应用于食品、医疗美容、医疗器械等领域。

图一。蛋白质引发的ProNCA原位聚合制备天冬酰胺酶-多聚脯氨酸结合物。

作品发表于《国家科学评论》。北京大学前沿交叉学院2021级博士生胡雅丽博士是论文的第一作者，鲁花教授是通讯记者。合作者是北京大学肿瘤医院的宋教授。本论文得到了国家重点科研项目的资助。科技部d计划，合成生物学，国家杰出青年科学基金，北京国家分子科学研究中心等。原文链接如下：

2.进展：聚集诱导聚合有助于蛋白质-多硫化物缀合物的原位合成。

由巯基引发1，2-二硫代戊烷开环聚合制备的聚二硫醚(PDS)是一种具有高骨架动力学、可逆性和特殊细胞膜通透性的可降解聚合物。由于1，2-二硫代戊烷开环聚合的热力学驱动力不足，正常情况下容易发生逆开环解聚，平衡单体浓度高，因此难以通过接枝-from合成蛋白质-PDS偶联物。此外，蛋白质的低活性和浓度以及1，2-二硫代戊烷聚合所需的高单体浓度容易导致副反应和生物大分子的沉淀变性，也增加了合成的难度。鲁花的研究小组准备了蛋白质-PDS

在最近发表于《美国化学会志》的一篇工作中，他们提出了聚集诱导聚合的概念，延续了之前增加单体有效浓度来促进聚合的思路。他们发现，一些两亲性1，2-二硫代戊烷单体的聚合行为是溶剂依赖性的：在水中聚合的最低浓度远低于其在有机相中的最低反应浓度，相差高达80倍。在排除介电常数和溶剂极性的影响后，通过对单体的液相透射电镜表征和聚合热力学/动力学的详细研究，他们发现这些单体在水中以纳米尺寸的松散聚集体形式存在，使得单体的有效浓度接近本体，聚合类似于本体聚合。利用这一现象，他们在室温下实现了蛋白质原位引发低浓度1，2-二硫代戊烷单体的开环聚合，方便地制备了位点特异性蛋白质-PDS偶联物。所得偶联物不仅能保护目的蛋白免受高温、蛋白酶和反复冻融引起的蛋白降解或失活，而且利用p(LPA-OEG5)-蛋白偶联物的温度敏感性和还原响应，开发了一种简单、经济、快速的分离纯化含活性巯基蛋白的方法。

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