由于氧氣具有自由基淬滅能力，自由基反應(yīng)包括自由基聚合需要嚴格去除氧氣。對反應(yīng)體系中的溶劑、試劑以及反應(yīng)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(yīng)除氧，能夠有效除去反應(yīng)體系中的溶解氧，使得原子轉(zhuǎn)移自由基聚合（ATRP）和可逆加成-斷裂鏈轉(zhuǎn)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(yīng)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(chǎn)生其他強氧化劑，三僅僅適用于少數(shù)的催化劑和單體。
受到酶反應(yīng)除氧的啟發(fā)，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(xiàn)了在敞開體系有氧環(huán)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》上報到了希瓦氏菌能夠作為電子給體，在無氧情況下還原Cu2+成為Cu+并啟動ATRP聚合。作者偶然發(fā)現(xiàn)，實驗臺上含有希瓦氏菌的培養(yǎng)皿在有氧條件下依然能夠進行ATRP活性聚合。居于這一發(fā)現(xiàn)，作者系統(tǒng)研究了這一課題，發(fā)現(xiàn)希瓦氏菌可以在有氧敞開環(huán)境中利用ppm級濃度的催化劑對于多種單體實現(xiàn)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(yīng)體系中的溶解氧，其二是在能夠發(fā)生細胞外電子傳遞（extracellular electron transfer (EET)）將Cu2+還原成Cu+并激活ATRP（圖一）。
1. 希瓦氏菌能夠消耗溶解氧
作者首先證實了再希瓦氏菌濃度為OD600=0.2時，無論是在聚合條件還是自然狀態(tài)下均能夠在一小時之內(nèi)將溶解氧消耗完（圖2A）。并通過控制變量實驗證實了，Cu2+-TPMA催化劑、引發(fā)劑、以及希瓦氏菌的低于ATRP活性聚合均不可或缺（圖2B）。更進一步，作者證實了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(huán)境實現(xiàn)聚合，在無氧環(huán)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(fā)現(xiàn)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(yīng)體系中的溶解氧，保護ATRP聚合活性自由基不被淬滅（圖2D）。
2.細胞外電子傳遞蛋白與聚合條件優(yōu)化
除了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(gòu)成（圖3a），作者發(fā)現(xiàn)敲除mtrC與omcA蛋白的希瓦氏菌的聚合效率顯著低于野生型希瓦氏菌。此外作者也研究了TPMA, bpy, Me6TREN三種配體對于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(fā)現(xiàn)希瓦氏菌也能夠協(xié)同鐵、釕、鈷等催化劑進行ATRP活性聚合。此外，作者將該方法應(yīng)用于多個種類單體的ATRP聚合，親水性的OEOMA300(0, HEMA, NIPAM等在有氧和無氧環(huán)境中均具有較高的轉(zhuǎn)化率和較好的分子量分布 （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(zhuǎn)化率較低。
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(yīng)體系中鼓入氧氣氣泡，可以臨時暫停反應(yīng)！當停止通入氧氣后，反應(yīng)得以繼續(xù)進行。這是由于停止通氧后，希瓦氏菌通過代謝作用消耗溶解氧，并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?qū)崿F(xiàn)依賴氧氣濃度的ATRP聚合反應(yīng)的時間與空間調(diào)控，可以作為傳統(tǒng)的光、力、電等刺激調(diào)控的重要補充！此外，作者通過先加入OEOMA300單體，并在2小時過后加入與HEMA單體，得到了POEOMA300-b-PHEMA嵌段共聚物（圖4a和4b），展示了該方法構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)聚合物的能力。
4. 凍干的細菌也能用
讀到這里，讀者或許會認為培養(yǎng)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了。于是作者通過實驗證明，凍干后的希瓦氏菌粉末依然能夠在有氧條件下協(xié)助ATRP聚合，盡管效率要低于活的西瓦氏菌。鮮活的希瓦氏菌在聚合完成后，通過離心分離回收后，依然能夠繼續(xù)使用 （圖5）。這兩個實驗結(jié)果使得該方法的推廣與大規(guī)模使用具備了良好的基礎(chǔ)。
5.小結(jié)
本文作者展示了希瓦氏菌能夠通過代謝作用消耗溶解氧并通過細胞外電子傳遞通路激活ATRP催化劑，實現(xiàn)在有氧開放環(huán)境中的ATRP活性聚合。在ppm級催化劑的條件下，反應(yīng)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。凍干的西瓦氏菌依然具有在有氧條件下協(xié)助聚合的能力，使得該方法具有良好的推廣基礎(chǔ)。
