作為一種重要的生物高分子材料，合成聚多肽擁有與天然蛋白質(zhì)相同的主鏈結(jié)構(gòu)，也因此具有獨特的二級結(jié)構(gòu)和良好的生物相容性。功能性聚多肽材料已經(jīng)在載藥、基因遞送以及組織工程等領域有著廣泛的應用。聚多肽材料的傳統(tǒng)合成方法是通過N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐單體的開環(huán)聚合得到。由于N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐對水的不穩(wěn)定性以及聚合對于單體的高純度要求，聚多肽的合成需要苛刻的無水環(huán)境和耗時的純化過程，對其的性質(zhì)與功能研究也往往受限于有一定經(jīng)驗的科研工作者。
近日，伊利諾伊大學香檳分校程建軍教授團隊和康涅狄格大學林遙教授團隊合作，從天然蛋白質(zhì)的合成中受到啟發(fā)，設計了第一例由不經(jīng)純化的N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐單體在常規(guī)實驗條件下直接制備聚多肽的方法。這個方法大大簡化了聚多肽材料的合成，對其性質(zhì)和功能的研究以及在生物工程的應用有著重要意義。
傳統(tǒng)的N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐一般需要幾天的時間利用多次重結(jié)晶的方法純化單體，且考慮到N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐對水的不穩(wěn)定性，所有純化過程都需要在手套箱、真空線以及無水溶劑等干燥條件下進行。此外，單體的純度直接決定了聚合的可控性，利用純度不夠的單體很難得到分子量可控且分子量分布較窄的聚多肽材料。
相比人工聚多肽材料的合成，天然蛋白質(zhì)的合成盡管在復雜的細胞環(huán)境中進行，但具有高效可控的特點。首先，核酶催化下的肽鍵合成是非催化下的十萬倍，這樣的高速反應大大抑制了副反應的發(fā)生；其次，核酶將肽鍵形成的反應中心從復雜的細胞環(huán)境中分離出來，消除了其他競爭反應對蛋白質(zhì)合成的影響。受此啟發(fā)，伊利諾伊大學和康涅狄格大學團隊設計了在油水界面快速聚合的引發(fā)體系，其中快速聚合很好地抑制了水存在下N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐單體的降解和不可控聚合等副反應，而水相的存在原位清除了N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐合成過程中產(chǎn)生的雜質(zhì)。在兩種策略的共同作用下，聚多肽可以以更快、更簡便的方式高效合成，且得到的聚多肽材料有著可預測的分子量以及較窄的分子量分布（<1.1）。
進一步地研究發(fā)現(xiàn)，快速聚合對于降低水導致的副反應有著及其重要的作用。通過動力學模擬的計算結(jié)果，文章中采用的聚乙二醇-聚芐基谷氨酸引發(fā)劑可以成功地將水導致的副反應限制在0.1%以內(nèi)。除此之外，其他N-羧酸環(huán)內(nèi)酸酐的快速聚合體系也能用于聚多肽材料的快速簡便制備，拓寬了這種方法的適用性。這一研究成果大大簡化了聚多肽材料制備的流程和要求，對聚多肽及相關蛋白質(zhì)模擬材料的性質(zhì)研究和生物醫(yī)學應用有著十分重要且廣泛的意義。
相關成果以“Synthesis of polypeptides via bioinspired polymerization of in situ purified N-carboxyanhydrides”為題，近期發(fā)表在期刊《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》（DOI: 10.1073/pnas.1901442116）上。伊利諾伊大學博士后宋子元是該論文的第一作者，程建軍教授和林遙教授是該論文的通訊作者。
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