伊利诺伊大学程建军教授团队和康涅狄格大学林遥教授团队PNAS: 利用快速聚合和原位纯化的方法实现聚多肽材料的简易合成

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作为一种重要的生物高分子材料，合成聚多肽拥有与天然蛋白质相同的主链结构，也因此具有独特的二级结构和良好的生物相容性。功能性聚多肽材料已经在载药、基因递送以及组织工程等领域有着广泛的应用。聚多肽材料的传统合成方法是通过N-羧酸环内酸酐单体的开环聚合得到。由于N-羧酸环内酸酐对水的不稳定性以及聚合对于单体的高纯度要求，聚多肽的合成需要苛刻的无水环境和耗时的纯化过程，对其的性质与功能研究也往往受限于有一定经验的科研工作者。

近日，伊利诺伊大学香槟分校程建军教授团队和康涅狄格大学林遥教授团队合作，从天然蛋白质的合成中受到启发，设计了第一例由不经纯化的N-羧酸环内酸酐单体在常规实验条件下直接制备聚多肽的方法。这个方法大大简化了聚多肽材料的合成，对其性质和功能的研究以及在生物工程的应用有着重要意义。

传统的N-羧酸环内酸酐一般需要几天的时间利用多次重结晶的方法纯化单体，且考虑到N-羧酸环内酸酐对水的不稳定性，所有纯化过程都需要在手套箱、真空线以及无水溶剂等干燥条件下进行。此外，单体的纯度直接决定了聚合的可控性，利用纯度不够的单体很难得到分子量可控且分子量分布较窄的聚多肽材料。

相比人工聚多肽材料的合成，天然蛋白质的合成尽管在复杂的细胞环境中进行，但具有高效可控的特点。首先，核酶催化下的肽键合成是非催化下的十万倍，这样的高速反应大大抑制了副反应的发生；其次，核酶将肽键形成的反应中心从复杂的细胞环境中分离出来，消除了其他竞争反应对蛋白质合成的影响。受此启发，伊利诺伊大学和康涅狄格大学团队设计了在油水界面快速聚合的引发体系，其中快速聚合很好地抑制了水存在下N-羧酸环内酸酐单体的降解和不可控聚合等副反应，而水相的存在原位清除了N-羧酸环内酸酐合成过程中产生的杂质。在两种策略的共同作用下，聚多肽可以以更快、更简便的方式高效合成，且得到的聚多肽材料有着可预测的分子量以及较窄的分子量分布（<1.1）。

进一步地研究发现，快速聚合对于降低水导致的副反应有着及其重要的作用。通过动力学模拟的计算结果，文章中采用的聚乙二醇-聚苄基谷氨酸引发剂可以成功地将水导致的副反应限制在0.1%以内。除此之外，其他N-羧酸环内酸酐的快速聚合体系也能用于聚多肽材料的快速简便制备，拓宽了这种方法的适用性。这一研究成果大大简化了聚多肽材料制备的流程和要求，对聚多肽及相关蛋白质模拟材料的性质研究和生物医学应用有着十分重要且广泛的意义。

相关成果以“Synthesis of polypeptides via bioinspired polymerization of in situ purified N-carboxyanhydrides”为题，近期发表在期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（DOI: 10.1073/pnas.1901442116）上。伊利诺伊大学博士后宋子元是该论文的第一作者，程建军教授和林遥教授是该论文的通讯作者。

论文链接：

https://www.pnas.org/content/116/22/10658

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