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  作為一種重要的生物高分子材料，合成聚多肽擁有與天然蛋白質(zhì)相同的主鏈結(jié)構(gòu)，也因此具有獨(dú)特的二級(jí)結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性。功能性聚多肽材料已經(jīng)在載藥、基因遞送以及組織工程等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。聚多肽材料的傳統(tǒng)合成方法是通過(guò)N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐單體的開(kāi)環(huán)聚合得到。由于N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐對(duì)水的不穩(wěn)定性以及聚合對(duì)于單體的高純度要求，聚多肽的合成需要苛刻的無(wú)水環(huán)境和耗時(shí)的純化過(guò)程，對(duì)其的性質(zhì)與功能研究也往往受限于有一定經(jīng)驗(yàn)的科研工作者。

  近日，伊利諾伊大學(xué)香檳分校程建軍教授團(tuán)隊(duì)和康涅狄格大學(xué)林遙教授團(tuán)隊(duì)合作，從天然蛋白質(zhì)的合成中受到啟發(fā)，設(shè)計(jì)了第一例由不經(jīng)純化的N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐單體在常規(guī)實(shí)驗(yàn)條件下直接制備聚多肽的方法。這個(gè)方法大大簡(jiǎn)化了聚多肽材料的合成，對(duì)其性質(zhì)和功能的研究以及在生物工程的應(yīng)用有著重要意義。

  傳統(tǒng)的N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐一般需要幾天的時(shí)間利用多次重結(jié)晶的方法純化單體，且考慮到N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐對(duì)水的不穩(wěn)定性，所有純化過(guò)程都需要在手套箱、真空線(xiàn)以及無(wú)水溶劑等干燥條件下進(jìn)行。此外，單體的純度直接決定了聚合的可控性，利用純度不夠的單體很難得到分子量可控且分子量分布較窄的聚多肽材料。

  相比人工聚多肽材料的合成，天然蛋白質(zhì)的合成盡管在復(fù)雜的細(xì)胞環(huán)境中進(jìn)行，但具有高效可控的特點(diǎn)。首先，核酶催化下的肽鍵合成是非催化下的十萬(wàn)倍，這樣的高速反應(yīng)大大抑制了副反應(yīng)的發(fā)生；其次，核酶將肽鍵形成的反應(yīng)中心從復(fù)雜的細(xì)胞環(huán)境中分離出來(lái)，消除了其他競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)對(duì)蛋白質(zhì)合成的影響。受此啟發(fā)，伊利諾伊大學(xué)和康涅狄格大學(xué)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了在油水界面快速聚合的引發(fā)體系，其中快速聚合很好地抑制了水存在下N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐單體的降解和不可控聚合等副反應(yīng)，而水相的存在原位清除了N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐合成過(guò)程中產(chǎn)生的雜質(zhì)。在兩種策略的共同作用下，聚多肽可以以更快、更簡(jiǎn)便的方式高效合成，且得到的聚多肽材料有著可預(yù)測(cè)的分子量以及較窄的分子量分布（<1.1）。

  進(jìn)一步地研究發(fā)現(xiàn)，快速聚合對(duì)于降低水導(dǎo)致的副反應(yīng)有著及其重要的作用。通過(guò)動(dòng)力學(xué)模擬的計(jì)算結(jié)果，文章中采用的聚乙二醇-聚芐基谷氨酸引發(fā)劑可以成功地將水導(dǎo)致的副反應(yīng)限制在0.1%以?xún)?nèi)。除此之外，其他N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐的快速聚合體系也能用于聚多肽材料的快速簡(jiǎn)便制備，拓寬了這種方法的適用性。這一研究成果大大簡(jiǎn)化了聚多肽材料制備的流程和要求，對(duì)聚多肽及相關(guān)蛋白質(zhì)模擬材料的性質(zhì)研究和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用有著十分重要且廣泛的意義。

  相關(guān)成果以“Synthesis of polypeptides via bioinspired polymerization of in situ purified N-carboxyanhydrides”為題，近期發(fā)表在期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（DOI: 10.1073/pnas.1901442116）上。伊利諾伊大學(xué)博士后宋子元是該論文的第一作者，程建軍教授和林遙教授是該論文的通訊作者。

  論文鏈接：https://www.pnas.org/content/116/22/10658