蛋白質-高分子偶聯物是一類連接生物大分子與合成高分子的雜化分子，在藥物、酶工程、可控自組裝等領域有重要應用價值。這類分子的合成可以通過蛋白質與預先合成的高分子之間的化學鍵合得到（Grafting-to），也可以由蛋白質原位引發小分子單體聚合的方式制備（Grafting-from）。其中Grafting-from具有反應效率高，分離提純方便等優勢，但目前僅限于可在水中進行的自由基聚合，所制備的高分子不能生物降解。如何通過Grafting-from的方式高效制備蛋白質-可降解高分子偶聯物是有待攻克的難題。呂華課題組長期緻力于發展溫和、高效、簡便、精準的蛋白質-高分子偶聯方法及其生物醫藥應用，近期他們在蛋白質原位引發開環聚合的研究中取得系列進展。

進展1：水加速效應促進蛋白質-聚脯氨酸偶聯物的原位合成

聚脯氨酸是一種中性可水溶的聚氨基酸，由脯氨酸N-羧基環内酸酐（ProNCA）開環聚合得到，通常需要嚴格無水條件且耗時長達一周。呂華課題組意外地發現了ProNCA開環聚合中反常的“水加速”現象，在乙腈-水混合溶劑中以普通一級胺為引發劑即可實現可控聚合。聚合反應在30秒到5分鐘内即可完成，聚合度最高達到200。機理實驗與密度泛函理論（DFT）計算共同表明水在聚合過程中扮演了質子梭的角色，幫助了決速步的質子轉移過程，從而将反應能壘降低了7.1 kcal/mol，顯著加速了聚合反應進程。

由于反應條件溫和、操作簡便、易于提純，他們進一步利用蛋白質賴氨酸殘基引發了ProNCA開環聚合，獲得原位生長的蛋白質-聚脯氨酸偶聯物。以藥物蛋白門冬酰胺酶為引發劑，該方法一步即可制備門冬酰胺酶-聚脯氨酸偶聯物（圖1）。該偶聯物相較野生型蛋白可以增加其抵抗極端環境的能力、顯著延長血液循環時間、提高體内腫瘤殺傷療效并降低藥物的免疫原性，展示了廣闊的藥用前景。由于脯氨酸是膠原蛋白中富含的氨基酸成分，而聚脯氨酸的PPII螺旋結構也類似膠原蛋白，未來聚脯氨酸及其共聚物還有望用于食品、醫美、醫療器械等領域。

圖1. 蛋白質原位引發ProNCA聚合，制備門冬酰胺酶-聚脯氨酸偶聯物

該工作發表于《國家科學評論》，beat365前沿交叉學院2021屆博士生胡雅麗博士為論文第一作者，呂華教授為通訊作者。合作者為beat365腫瘤醫院宋玉琴教授。論文獲得了科技部國家重點研發計劃合成生物學專項、國家自然科學基金傑出青年科學基金、北京分子科學國家研究中心等的資助。原文鍊接如下：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac033

進展2：聚集誘導聚合效應助力蛋白質-聚二硫化物偶聯物的原位合成

由巯基引發 1,2-二硫戊烷開環聚合制備的聚二硫化物（PDS）是一類具有高度主鍊動态性、可逆性和特殊細胞膜穿透性的可降解高分子。由于1,2-二硫戊烷開環聚合的熱力學驅動力不足，在正常條件下極易發生逆向的閉環解聚反應，平衡單體濃度高，因此以Grafting-from 的方式合成蛋白質-PDS 偶聯物難度較大。此外，蛋白質活性與濃度低、而1,2-二硫戊烷聚合所需的高單體濃度易引發副反應和生物大分子的沉澱變性，這也增加了合成的難度。呂華課題組前期以冷凍聚合的方式提高有效單體濃度制備了蛋白質-PDS偶聯物 (J. Am. Chem. Soc. 2020, 142, 1217-1221) ，但有些脆弱的蛋白難以反複凍融，因此仍需發展在0-37度間由蛋白原位引發低濃度1,2-二硫戊烷單體開環聚合的方法。

在最近發表于《美國化學會志》的一項工作中，他們延續以往“提高單體有效濃度推動聚合反應進行”這一思想，提出了聚集誘導聚合(aggregation-induced polymerization) 的概念。他們發現一些兩親性的1,2-二硫戊烷單體的聚合行為具有溶劑依賴性：在水中發生聚合的最低濃度遠低于其在有機相中的最低反應濃度，差别可達80倍。在排除了溶劑的介電常數與極性等效應以後，通過對單體的液相透射電鏡表征以及聚合反應熱力學/動力學的細緻研究，他們發現這些單體在水中以納米尺寸的松散聚集體形式存在，從而使得單體的有效濃度接近本體，而聚合反應也相應具有類似本體聚合的特征。利用這一現象，他們實現了蛋白質在室溫下原位引發低濃度1,2-二硫戊烷單體的開環聚合，方便地制備了位點特異的蛋白質-PDS偶聯物（圖2）。所得偶聯物不僅可以保護目标蛋白抵禦高溫、蛋白酶消化以及反複凍融所帶來的蛋白質降解或失活變性，利用p(LPA-OEG5)-蛋白偶聯物的溫敏性與還原響應性，他們還開發了一種簡單、經濟、快速的分離純化含活性巯基蛋白的方法。

圖2. 利用聚集現象提高單體有效濃度實現了蛋白質原位引發1,2-二硫戊烷的開環聚合，溫和條件下制備可降解的蛋白質-聚二硫化物偶聯物

beat365化學院2018級博士研究生鹿建華為論文第一作者，呂華教授為通訊作者；beat365化學院王歡研究員與美國康乃狄格大學林遙教授為論文合作者。論文獲得了科技部國家重點研發計劃合成生物學專項、國家自然科學基金傑出青年科學基金、北京分子科學國家研究中心等的資助。原文鍊接如下：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.2c05997