“多肽”湖大团队开发基于MOF的聚多肽合成法，为高效制备聚多肽复合材料提供思路

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来源：DeepTech深科技

聚多肽是一种生物材料，类似于蛋白质。不同的是，蛋白质是有序的氨基酸残基多肽序列，而聚多肽是随机无序或具有简单序列重复的氨基酸残基序列。在以往的研究中，合成聚多肽材料充满挑战，其难点主要在于用于聚合的单体提纯困难、聚合速度慢、环境敏感度高等。

湖南大学博士生刘英和任仲午为论文共同第一作者，由白玉罡教授和邢航教授担任论文共同通讯作者。

从材料角度来看，氨基酸环内酸酐（N-carboxyanhydride，NCA）聚合能给出非常有特色、有潜力的聚多肽高分子材料。

白玉罡表示，在类似 NCA 聚合的普通活性聚合过程中，虽然很难做到序列选择性，但是序列的组分控制和嵌段形态控制仍然是可以做到的，也有望做出一些具有独特功能、性质和应用价值的聚多肽材料。由于该类材料的重复单元由天然氨基酸构成，它们在很多方面具有独特的吸引力。

从合成角度，一直以来，用聚多肽氨基酸环内酸酐制备聚多肽充满挑战，其反应效率也低。2017 年，西湖大学讲席教授（原美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校讲席教授）程建军在 Nature Chemistry 发表的一篇论文中提到，在聚多肽链的合成过程中会形成 α-螺旋。一条高分子聚多肽和另外一条链如果靠得非常紧，会起到加速作用[2，3]。

在以往基于此类机理实现的加速聚合方法学研究中，链引发剂通常需要进行特殊的设计与制备，并且最终会在高分子链末端残留，因此其应用受到一些限制。

在该研究中，白玉罡提出，能不能利用 MOF 纳米颗粒表面暴露的金属簇，在 MOF 材料表面做聚合反应？这样 MOF 可以被很方便地移除，或者不移除时也可以作为具有多功能的复合材料。该想法提出后，邢航与其“一拍即合”，开始了相关探索。

在材料合成过程中，研究人员以 MOF 材料为基底作为加速聚多肽聚合的催化剂与模板。他们将 MOF 纳米颗粒表面暴露的金属簇作为催化中心来引发聚合。

首先，金属簇催化 MOF 表面吸附水分子，作为引发剂，与单体分子的反应，让 MOF 上“长出”初始的聚多肽。然后，“密集生长”的聚多肽可实现自催化的聚合，达到高效可控的目的。由于 MOF 是晶态材料，其表面的金属簇是均匀密集分布的，因此聚合开始后，其表面的聚多肽链彼此之间都离得很近，形成聚多肽“阵列”进而实现了协同加速作用。

反应完成后，MOF 纳米颗粒可以直接通过离心法去除，纯化得到聚多肽产物。因此，总体来说该方法非常快速、便捷，可以轻松得到一个末端没有任何“小尾巴”的聚多肽。MOF 纳米颗粒作为多相催化剂，制备难度很低，也可以反复分离、多次使用。

该方法实现了简便的非均相催化过程，产物是 MOF-聚多肽复合材料，但在需要时也可以重生催化剂并同时很方便地将聚多肽分离，是一种“二合一”的制备方法。

MOF 作为一种晶态的多孔材料，其应用场景之一是制备混合基质膜。传统的方法往往是通过把 MOF 材料与聚多肽或高分子聚合物简单混合进行合成，容易导致制备的混合基质膜不均一，造成空隙堵塞等问题。

该研究提出的新方法则是通过 MOF 材料表面暴露的金属簇吸附水分子作为链引发剂，直接做原位高分子聚合，相当于通过 MOF 基底直接实现了多孔混合基质膜材料的合成。

邢航课题组一直对纳米级的 MOF 晶体表界面修饰很感兴趣，在前期工作中发展了一种 Porous-on-porous 的修饰方法，利用多孔的配体修饰多孔的 MOF 材料，如冠醚、分子笼等，在对 MOF 材料改性的同时，最大可能地保持多孔性[4，5]。

他指出，“在 MOF 晶体表面原位生长聚多肽，是一种直接合成多孔混合基质膜的新方法，膜均匀性和孔道的保持度都很好。并且，聚多肽本身是一种纯生物材料，这是我们的方法在制备混合基质膜时的直接优势。”

基于材料的功能性，研究人员在应用场景也进行了探索。该团队发现该类型的膜材料对有机染料分子和重金属盐的吸附能力，优于那些简单地把 MOF 与聚多肽混合起来制备成的混合基质膜。

此外，他们还进行了催化性质方面的应用探索。因为该复合材料是基于 MOF 的混合基质膜，其中 MOF 是多孔的金属有机框架材料。而 MOF 材料根据其所含的金属与配体的不同，可作为催化剂来实现不同的化学转化过程。

“我们可以修改 MOF 框架结构，在其中间引入一些其他的金属离子，将混合基质膜直接作为新型催化剂材料。比如，我们引入铜离子，就可以催化点击化学的反应。”邢航说。

在缓释效果方面，单纯金属有机框架材料容易降解，只有一两天的效果，而 MOF-多肽混合基质膜能够在一个月之内让农药慢慢释放。也就是说，不需要经常喷洒农药也可实现同样的效果，并降解为对环境有益的有机化合物。

图丨 MOF-聚多肽混合基质膜用于小分子降解，催化点击化学，以及农药缓释的应用。（来源：Nature Communications）

邢航课题组的主要研究方向是细胞表界面化学，包括研究微生物和哺乳动物细胞表面精准的化学生物学修饰方法，用于细胞膜界面上生物功能的调控和生化传感应用。同时，他们也对无机-生物界面相互作用的机理研究感兴趣。

而白玉罡课题组的主要研究建立在大分子之上，包括各种合成高分子和蛋白、核酸等天然高分子。他们利用各种功能高分子实现了数个精密的催化体系，这些大分子催化体系可以在活细胞、活体动物中工作，实现非天然催化转化。

目前，合作团队针对 MOF-聚多肽复合材料已展开进一步研究。例如，MOF 作为一种晶态配位聚合物，可以非常容易地通过设计配体、金属离子，甚至整个框架的拓扑结构，来调控的金属簇之间的距离，可以帮助研究人员从机理角度对 NCA 聚合协同加速机理进行深入研究，包括每条动态的 α-螺旋之间的距离、紧密程度、排布方式等对聚合的影响。此外，他们也计划通过模块变换的方法制备一系列多功能混合机制膜材料，从而探索更多应用方面的可能性。

1. Liu, Y., Ren, Z., Zhang, N.……,Xing，H.&Bai,Y. A nanoscale MOF-based heterogeneous catalytic system for the polymerization of N-carboxyanhydrides enables direct routes toward both polypeptides and related hybrid materials. Nature Communications 14, 5598 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-41252-3

2. Baumgartner, R.; Fu, H.; Song, Z.; Lin, Y. and Cheng, J. Cooperative polymerization of α-helices induced by macromolecular architecture. Nature Chemistry 9, 614-622 (2017). https://www.nature.com/articles/nchem.2712

3. Song, Z.; Fu, H.; Wang, J. et al. Synthesis of polypeptides via bioinspired polymerization of in situ purified N-carboxyanhydrides. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 116, 10658-10663 (2019). https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.1901442116

4. Yang, X. X.; Zhang, Q.; Liu, Y.; Nian, M.; Xie, M.; Xie, S. S.; Yang, Q. L.; Wang, S.; Wei, H.; Duan, J. G.; Dong, S. Y.; Xing, H. Metal-Organic Framework Nanoparticles with Universal Dispersibility through Crown Ether Surface Coordination for Phase-Transfer Catalysis and Separation Membranes. Angew. Chem. Int. Ed. 2023, 62 (34), e202303280, https://doi.org/10.1002/anie.202303280

5. Liang, Y.; Yang, X. X.; Wang, X. Y.; Guan, Z. J.; Xing, H.; Fang, Y. A cage-on-MOF strategy to coordinatively functionalize mesoporous MOFs for manipulating selectivity in adsorption and catalysis. Nature Communications 2023, 14, 5223, DOI: 10.1038/s41467-023-40973-9.

排版：刘雅坤

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