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(yán)格去除氧氣。對(duì)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(fèi)較多的時(shí)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(kāi)的有氧氛圍中進(jìn)行。然而這類利用酶反應(yīng)除氧的方法通常具有幾個(gè)明顯缺陷，一是需要代替犧牲試劑（sacrificial reagents），二是產(chǎn)生其他強(qiáng)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(guó)德州奧斯丁大學(xué)的Benjamin K. Keitz教授團(tuán)隊(duì)利用希瓦氏菌（Shewanella oneidensis (wild type, MR-1)）實(shí)現(xiàn)了在敞開(kāi)體系有氧環(huán)境中進(jìn)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(bào)道。兩年前，Benjamin K. Keitz教授團(tuán)隊(duì)在《PNAS》上報(bào)到了希瓦氏菌能夠作為電子給體，在無(wú)氧情況下還原Cu2+成為Cu+并啟動(dòng)ATRP聚合。作者偶然發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)臺(tái)上含有希瓦氏菌的培養(yǎng)皿在有氧條件下依然能夠進(jìn)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(kāi)環(huán)境中利用ppm級(jí)濃度的催化劑對(duì)于多種單體實(shí)現(xiàn)ATRP活性聚合。希瓦氏菌在聚合體系中承擔(dān)著兩個(gè)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(xì)胞外電子傳遞（extracellular electron transfer (EET)）將Cu2+還原成Cu+并激活A(yù)TRP（圖一）。
1. 希瓦氏菌能夠消耗溶解氧
作者首先證實(shí)了再希瓦氏菌濃度為OD600=0.2時(shí)，無(wú)論是在聚合條件還是自然狀態(tài)下均能夠在一小時(shí)之內(nèi)將溶解氧消耗完（圖2A）。并通過(guò)控制變量實(shí)驗(yàn)證實(shí)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(jìn)一步，作者證實(shí)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(wú)法在有氧環(huán)境實(shí)現(xiàn)聚合，在無(wú)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(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)希瓦氏菌的濃度達(dá)到OD600=0.1及以上是才能夠及時(shí)有效地消耗反應(yīng)體系中的溶解氧，保護(hù)ATRP聚合活性自由基不被淬滅（圖2D）。
2.細(xì)胞外電子傳遞蛋白與聚合條件優(yōu)化
除了通過(guò)代謝消耗溶解氧之外，希瓦氏菌的第二個(gè)重要功能便是細(xì)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(duì)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(jìn)行ATRP活性聚合。此外，作者將該方法應(yīng)用于多個(gè)種類單體的ATRP聚合，親水性的OEOMA300(0, HEMA, NIPAM等在有氧和無(wú)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(wú)法溶解且有毒的styrene單體則可以通過(guò)乳液的方式進(jìn)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(dòng)驚喜的是，在反應(yīng)體系中鼓入氧氣氣泡，可以臨時(shí)暫停反應(yīng)！當(dāng)停止通入氧氣后，反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行。這是由于停止通氧后，希瓦氏菌通過(guò)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(diǎn)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(shí)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(bǔ)充！此外，作者通過(guò)先加入OEOMA300單體，并在2小時(shí)過(guò)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(xì)菌也能用
讀到這里，讀者或許會(huì)認(rèn)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(gè)問(wèn)題作者也想到了。于是作者通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(guò)離心分離回收后，依然能夠繼續(xù)使用 （圖5）。這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)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(guò)代謝作用消耗溶解氧并通過(guò)細(xì)胞外電子傳遞通路激活A(yù)TRP催化劑，實(shí)現(xiàn)在有氧開(kāi)放環(huán)境中的ATRP活性聚合。在ppm級(jí)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(shí)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)。
