《nature communications》用戶文章〡光激發的電活性微生物胞外電子轉移觸發RAFT聚合

活細胞觸發的可逆加成 - 斷裂鏈轉移聚合（RAFT 聚合）作為構建功能多樣的活體材料的關鍵技術，在生物醫學、柔性材料等領域具有重要應用價值，其核心優勢在於可借助生物體系的特異性與溫和性實現聚合過程的精準調控。然而，當前已報道的微生物激活聚合系統普遍存在端基異質性問題，難以滿足高性能聚合物材料對結構均一性的要求，且如何實現微生物與聚合反應的高效協同、避免外源性引發劑對生物體系的幹擾，仍是該領域尚未解決的關鍵挑戰。此外，電活性微生物的胞外電子傳遞途徑雖已在能源轉化、環境治理等領域得到應用，但將其與可控自由基聚合體系結合，通過生物自身代謝活動與光信號協同觸發聚合反應的研究尚未見報道，這為開發可持續、生物兼容的聚合新策略提供了潛在方向。在此背景下，研究團隊聚焦於電活性微生物的獨特電子傳遞特性，旨在構建無端基異質性、高效可控的微生物觸發 RAFT 聚合系統，填補現有技術空白。合成生物學與 RAFT 聚合的協同整合，為構建可持續、可控的聚合平台提供了新方案。

研究團隊開發了一種新型多功能籠狀二銨氯化物（DCl）分子，用於修飾鈣鈦礦 / C60 界面，實現多維度優化：

（1）構建奧奈達希瓦氏菌觸發的 RAFT 聚合新體系，無需外源性引發劑，規避細胞毒性與聚合物端基異質性，實現生物兼容的聚合反應。

（2）闡明 “微生物胞外電子傳遞（EET）還原黃酮 + 光誘導電子傳遞（PET）還原 CTA” 的協同觸發機製： 奧奈達希瓦氏菌通過 D - 乳酸代謝產生電子，經胞外電子傳遞（EET）途徑將黃酮還原為氫醌型（FLhq）；

藍光激發 FLhq 形成激發態（FLhq*），通過光誘導電子傳遞（PET）還原鏈轉移劑（CTAs）產生自由基，突破了基態黃酮還原 CTA 的熱力學能壘，確立 “EET→PET” 兩步電子傳遞的聚合觸發路徑。

（3）通過合成生物學改造奧奈達希瓦氏菌，強化黃酮的生物合成與胞外轉運：異源表達枯草芽孢杆菌黃酮合成基因簇（ribADEHC），篩選最優啟動子（Ptet）提升黃酮產量；表達銅綠假單胞菌孔蛋白 OprF 並優化核糖體結合位點（RBS4），增強黃酮胞外分泌；工程菌株（P-RBS4）胞外黃酮濃度達 21.7 μM，1 小時單體轉化率達 44%，6 小時最高達 99%，聚合物多分散性（Ð）低至 1.11。

（4）驗證體系可控性，可合成多種嵌段共聚物，終端保真度高。

（5）體系適配多類單體 / CTA，具備光控時序性、耐氧性，可用於高通量合成。

（6）通過基因敲除實驗證實，奧奈達希瓦氏菌 EET 途徑中的核心細胞色素（CymA、MtrC、OmcA）是聚合反應的關鍵：敲除後聚合轉化率顯著下降（ΔCymA 菌株轉化率僅 4%，ΔMtrC/ΔOmcA 雙敲除菌株僅 5%），驗證了微生物胞外電子傳遞對黃酮還原及聚合持續進行的必要性。

該研究采用了多種測試表征技術，包括：CV、UV-vis、熒光光譜、時間分辨熒光光譜、ESR、DFT、TD-DFT等測試技術：  

圖1  奧奈達希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）觸發 RAFT 聚合的熱力學分析洞察

a) 奧奈達希瓦氏菌產生的電子將氧化態黃酮還原為完全還原態黃酮氫醌（FLhq）；還原態電子介質 FLhq 與鏈轉移劑 CTA1（2 - 乙基硫代羰基硫基 - 丙酸甲酯）反應以生成自由基（左，黑色箭頭），但該還原反應在熱力學上不可行；藍光照射下，FLhq 被激發至激發態（FLhq*），通過光誘導電子傳遞（PET）實現向 CTA1 的電子轉移並生成自由基（右，綠色箭頭）；

b) 奧奈達希瓦氏菌、DMA 單體、CTA1 與外源添加黃酮（核黃素 RF 或 FMN）混合體系中，未觀察到自由基聚合的 DMA 單體 ¹H NMR 譜圖；以及分別以核黃素或 FMN 為電子介質、光激發條件下聚合體系合成聚（N,N - 二甲基丙烯酰胺）（PDMA）的 ¹H NMR 譜圖；

c) 黃酮（核黃素或 FMN）向 CTA1 電子轉移路徑的吉布斯自由能計算曲線。

圖二  外源添加黃酮（核黃素與 FMN）的奧奈達希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）觸發 RAFT 聚合的動力學結果

a) 微生物觸發 RAFT 聚合的一級動力學曲線；

b) 聚合物分子量（黑色圓點）與多分散性（紅色方塊）的演變趨勢；

c) 不同聚合時間下合成聚（N,N - 二甲基丙烯酰胺）（PDMA）的凝膠滲透色譜（GPC）曲線；

d) 嵌段共聚物的凝膠滲透色譜（GPC）曲線；

e) 間歇光照對微生物觸發 RAFT 聚合的時序調控效果；

f) 不同核黃素（RF）濃度下，聚合 1 小時和 6 小時的單體轉化率及多分散性（Ð）；

g) 不同 FMN 濃度下，聚合 1 小時和 6 小時的單體轉化率及多分散性（Ð）。

注：數據為三次獨立實驗的平均值 ± 標準差（SD），其中 f、g 圖中 n=3； 

圖三  奧奈達希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）的基因工程改造：黃酮從頭生物合成與轉運的設計優化及其對 RAFT 聚合單體轉化率的影響

a) 表達黃酮生物合成基因簇（ribADEHC）（受不同誘導型啟動子 Ptet、Ptac、Pbad、ParcA 調控）和孔蛋白基因 OprF（受不同核糖體結合位點 RBS 調控）的質粒圖譜。其中 RBS 序列編號：RBS1（BBa_B0034，iGEM）、RBS2（BBa_B0030，iGEM）、RBS3（BBa_B0032，iGEM）、RBS4（BBa_B0031，iGEM）；

b) 分別攜帶不同啟動子和 RBS 的基因工程奧奈達希瓦氏菌的黃酮產量定量結果；

c) 不同啟動子（最優誘導劑濃度）和最優 RBS 的工程菌株觸發 RAFT 聚合的單體轉化率對比；

d) 細胞色素 c（c-Cyts）基因敲除對奧奈達希瓦氏菌觸發 RAFT 聚合單體轉化率的影響。

注：數據為三次獨立實驗的平均值 ± 標準差（SD），其中 b-d 圖中 n=3。

圖四  高通量奧奈達希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）介導的可逆加成 - 斷裂鏈轉移（RAFT）聚合反應的凝膠滲透色譜（GPC）圖譜

a 從對應的 96 孔板和 384 孔板中獲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 孔板中目標聚合度（DP）為 100 至 2000 的 PDMA 聚合物庫b DP=100 c DP=300 d DP=500 e DP=1000 f DP=2000原始數據已作為原始數據文件提供。

1.光電一體化時間分辨光譜儀 HiLight 990

光電一體化時間分辨光譜儀HiLight 990是東譜科技自主研發的業內首款光電一體化時間分辨光譜儀。該設備擁有光緻和電緻熒光光譜模塊，可以對各類型的光緻（熒光、磷光、延遲熒光等）和電緻發光樣品進行全面的穩、瞬態測試分析，可在200 nm 至5500 nm寬波長、2.5 ns至1200 s寬時域範圍上對微弱發光信號進行精準測量。基於其光電一體的獨特優勢，HiLight可同時用於材料與器件的研究，從而極大地拓展了傳統熒光光譜儀的適用範圍。基於模塊化的設計理念，HiLight可以提供靈活的配置方案，以適應多樣化的測試需求。

測試功能：熒光/磷光、時間分辨發射譜、熒光/磷光壽命測試、電緻發光、時間分辨電緻發光光譜、電緻發光響應時間、顯微熒光、吸收與透射、量子產率、變溫熒光、偏振和各向異性、多維度光譜、上轉換熒光、時間相關動力學等。

圖 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