《nature communications》用户文章〡光激发的电活性微生物胞外电子转移触发RAFT聚合

活细胞触发的可逆加成 - 断裂链转移聚合（RAFT 聚合）作为构建功能多样的活体材料的关键技术，在生物医学、柔性材料等领域具有重要应用价值，其核心优势在于可借助生物体系的特异性与温和性实现聚合过程的精准调控。然而，当前已报道的微生物激活聚合系统普遍存在端基异质性问题，难以满足高性能聚合物材料对结构均一性的要求，且如何实现微生物与聚合反应的高效协同、避免外源性引发剂对生物体系的干扰，仍是该领域尚未解决的关键挑战。此外，电活性微生物的胞外电子传递途径虽已在能源转化、环境治理等领域得到应用，但将其与可控自由基聚合体系结合，通过生物自身代谢活动与光信号协同触发聚合反应的研究尚未见报道，这为开发可持续、生物兼容的聚合新策略提供了潜在方向。在此背景下，研究团队聚焦于电活性微生物的独特电子传递特性，旨在构建无端基异质性、高效可控的微生物触发 RAFT 聚合系统，填补现有技术空白。合成生物学与 RAFT 聚合的协同整合，为构建可持续、可控的聚合平台提供了新方案。

研究团队开发了一种新型多功能笼状二铵氯化物（DCl）分子，用于修饰钙钛矿 / C60 界面，实现多维度优化：

（1）构建奥奈达希瓦氏菌触发的 RAFT 聚合新体系，无需外源性引发剂，规避细胞毒性与聚合物端基异质性，实现生物兼容的聚合反应。

（2）阐明 “微生物胞外电子传递（EET）还原黄酮 + 光诱导电子传递（PET）还原 CTA” 的协同触发机制： 奥奈达希瓦氏菌通过 D - 乳酸代谢产生电子，经胞外电子传递（EET）途径将黄酮还原为氢醌型（FLhq）；

蓝光激发 FLhq 形成激发态（FLhq*），通过光诱导电子传递（PET）还原链转移剂（CTAs）产生自由基，突破了基态黄酮还原 CTA 的热力学能垒，确立 “EET→PET” 两步电子传递的聚合触发路径。

（3）通过合成生物学改造奥奈达希瓦氏菌，强化黄酮的生物合成与胞外转运：异源表达枯草芽孢杆菌黄酮合成基因簇（ribADEHC），筛选最优启动子（Ptet）提升黄酮产量；表达铜绿假单胞菌孔蛋白 OprF 并优化核糖体结合位点（RBS4），增强黄酮胞外分泌；工程菌株（P-RBS4）胞外黄酮浓度达 21.7 μM，1 小时单体转化率达 44%，6 小时最高达 99%，聚合物多分散性（Ð）低至 1.11。

（4）验证体系可控性，可合成多种嵌段共聚物，终端保真度高。

（5）体系适配多类单体 / CTA，具备光控时序性、耐氧性，可用于高通量合成。

（6）通过基因敲除实验证实，奥奈达希瓦氏菌 EET 途径中的核心细胞色素（CymA、MtrC、OmcA）是聚合反应的关键：敲除后聚合转化率显著下降（ΔCymA 菌株转化率仅 4%，ΔMtrC/ΔOmcA 双敲除菌株仅 5%），验证了微生物胞外电子传递对黄酮还原及聚合持续进行的必要性。

该研究采用了多种测试表征技术，包括：CV、UV-vis、荧光光谱、时间分辨荧光光谱、ESR、DFT、TD-DFT等测试技术：  

图1  奥奈达希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）触发 RAFT 聚合的热力学分析洞察

a) 奥奈达希瓦氏菌产生的电子将氧化态黄酮还原为完全还原态黄酮氢醌（FLhq）；还原态电子介质 FLhq 与链转移剂 CTA1（2 - 乙基硫代羰基硫基 - 丙酸甲酯）反应以生成自由基（左，黑色箭头），但该还原反应在热力学上不可行；蓝光照射下，FLhq 被激发至激发态（FLhq*），通过光诱导电子传递（PET）实现向 CTA1 的电子转移并生成自由基（右，绿色箭头）；

b) 奥奈达希瓦氏菌、DMA 单体、CTA1 与外源添加黄酮（核黄素 RF 或 FMN）混合体系中，未观察到自由基聚合的 DMA 单体 ¹H NMR 谱图；以及分别以核黄素或 FMN 为电子介质、光激发条件下聚合体系合成聚（N,N - 二甲基丙烯酰胺）（PDMA）的 ¹H NMR 谱图；

c) 黄酮（核黄素或 FMN）向 CTA1 电子转移路径的吉布斯自由能计算曲线。

图二  外源添加黄酮（核黄素与 FMN）的奥奈达希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）触发 RAFT 聚合的动力学结果

a) 微生物触发 RAFT 聚合的一级动力学曲线；

b) 聚合物分子量（黑色圆点）与多分散性（红色方块）的演变趋势；

c) 不同聚合时间下合成聚（N,N - 二甲基丙烯酰胺）（PDMA）的凝胶渗透色谱（GPC）曲线；

d) 嵌段共聚物的凝胶渗透色谱（GPC）曲线；

e) 间歇光照对微生物触发 RAFT 聚合的时序调控效果；

f) 不同核黄素（RF）浓度下，聚合 1 小时和 6 小时的单体转化率及多分散性（Ð）；

g) 不同 FMN 浓度下，聚合 1 小时和 6 小时的单体转化率及多分散性（Ð）。

注：数据为三次独立实验的平均值 ± 标准差（SD），其中 f、g 图中 n=3； 

图三  奥奈达希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）的基因工程改造：黄酮从头生物合成与转运的设计优化及其对 RAFT 聚合单体转化率的影响

a) 表达黄酮生物合成基因簇（ribADEHC）（受不同诱导型启动子 Ptet、Ptac、Pbad、ParcA 调控）和孔蛋白基因 OprF（受不同核糖体结合位点 RBS 调控）的质粒图谱。其中 RBS 序列编号：RBS1（BBa_B0034，iGEM）、RBS2（BBa_B0030，iGEM）、RBS3（BBa_B0032，iGEM）、RBS4（BBa_B0031，iGEM）；

b) 分别携带不同启动子和 RBS 的基因工程奥奈达希瓦氏菌的黄酮产量定量结果；

c) 不同启动子（最优诱导剂浓度）和最优 RBS 的工程菌株触发 RAFT 聚合的单体转化率对比；

d) 细胞色素 c（c-Cyts）基因敲除对奥奈达希瓦氏菌触发 RAFT 聚合单体转化率的影响。

注：数据为三次独立实验的平均值 ± 标准差（SD），其中 b-d 图中 n=3。

图四  高通量奥奈达希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）介导的可逆加成 - 断裂链转移（RAFT）聚合反应的凝胶渗透色谱（GPC）图谱

a 从对应的 96 孔板和 384 孔板中获得的聚甲基丙烯酸二甲胺基乙酯（PDMA）聚合物（聚合度 DP=200）

b–f 96 孔板中目标聚合度（DP）为 100 至 2000 的 PDMA 聚合物库b DP=100 c DP=300 d DP=500 e DP=1000 f DP=2000原始数据已作为原始数据文件提供。

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图 HiLight 990

▍引用文章

Photo-excited extracellular electron transfer of electroactive microorganism triggers RAFT polymerization 

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65119-x