聚多肽是一種生物材料，類似於蛋白質。不同的是，蛋白質是有序的胺基酸殘基多肽序列，而聚多肽是隨機無序或具有簡單序列重複的胺基酸殘基序列。在以往的研究中，合成聚多肽材料充滿挑戰，其難點主要在於用於聚合的單體提純困難、聚合速度慢、環境敏感度高等。
圖丨該論文共同通訊作者，從左至右分別為：白玉罡教授和邢航教授（來源：該團隊）
基於此，湖南大學團隊開發了一種基於 MOF（金屬有機框架，Metal-Organic Framework）催化的新型聚多肽材料的合成方法，通過該方法不僅能夠直接製備出高質量的聚多肽，還能夠直接獲得 MOF-聚多肽復合材料，即表面負載了合成聚多肽鏈的 MOF 材料。該方法為快速製備聚多肽及 MOF-聚多肽復合材料提供了新思路。
據介紹，由於該方法能夠直接用於製備 MOF-聚多肽混合基質膜材料，因此其有望應用於生物醫學、環境及農業領域。例如，它們可以用於降解含磷化合物（例如有機磷農藥），利用其多孔性質實現對重金屬的吸附，做微量營養物質或農藥的緩釋等。該類型材料不僅對環境友好（例如以鋅離子、鹼土金屬離子等製備 MOF 時），並且在使用後還可降解為胺基酸。
圖丨相關論文（來源：Nature Communications）
近日，相關論文以《用於胺基酸環內酸酐的基於 MOF 催化的納米聚合系統能夠快速合成聚多肽及多肽復合材料》（A nanoscale MOF-based heterogeneous catalytic system for the polymerization of N-carboxyanhydrides enables direct routes toward both polypeptides and related hybrid materials）為題發表在 Nature Communications[1]。
湖南大學博士生劉英和任仲午為論文共同第一作者，由白玉罡教授和邢航教授擔任論文共同通訊作者。
圖丨多相催化體系的二合一設計示意圖（來源：Nature Communications）
從材料角度來看，胺基酸環內酸酐（N-carboxyanhydride，NCA）聚合能給出非常有特色、有潛力的聚多肽高分子材料。
白玉罡表示，在類似 NCA 聚合的普通活性聚合過程中，雖然很難做到序列選擇性，但是序列的組分控制和嵌段形態控制仍然是可以做到的，也有望做出一些具有獨特功能、性質和應用價值的聚多肽材料。由於該類材料的重複單元由天然胺基酸構成，它們在很多方面具有獨特的吸引力。
從合成角度，一直以來，用聚多肽胺基酸環內酸酐製備聚多肽充滿挑戰，其反應效率也低。2017 年，西湖大學講席教授（原美國伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校講席教授）程建軍在 Nature Chemistry 發表的一篇論文中提到，在聚多肽鏈的合成過程中會形成 α-螺旋。一條高分子聚多肽和另外一條鏈如果靠得非常緊，會起到加速作用[2，3]。
在以往基於此類機理實現的加速聚合方法學研究中，鏈引發劑通常需要進行特殊的設計與製備，並且最終會在高分子鏈末端殘留，因此其應用受到一些限制。
在該研究中，白玉罡提出，能不能利用 MOF 納米顆粒表面暴露的金屬簇，在 MOF 材料表面做聚合反應？這樣 MOF 可以被很方便地移除，或者不移除時也可以作為具有多功能的復合材料。該想法提出後，邢航與其「一拍即合」，開始了相關探索。
在材料合成過程中，研究人員以 MOF 材料為基底作為加速聚多肽聚合的催化劑與模板。他們將 MOF 納米顆粒表面暴露的金屬簇作為催化中心來引發聚合。
首先，金屬簇催化 MOF 表面吸附水分子，作為引發劑，與單體分子的反應，讓 MOF 上「長出」初始的聚多肽。然後，「密集生長」的聚多肽可實現自催化的聚合，達到高效可控的目的。由於 MOF 是晶態材料，其表面的金屬簇是均勻密集分布的，因此聚合開始後，其表面的聚多肽鏈彼此之間都離得很近，形成聚多肽「陣列」進而實現了協同加速作用。
反應完成後，MOF 納米顆粒可以直接通過離心法去除，純化得到聚多肽產物。因此，總體來說該方法非常快速、便捷，可以輕鬆得到一個末端沒有任何「小尾巴」的聚多肽。MOF 納米顆粒作為多相催化劑，製備難度很低，也可以反覆分離、多次使用。
該方法實現了簡便的非均相催化過程，產物是 MOF-聚多肽復合材料，但在需要時也可以重生催化劑並同時很方便地將聚多肽分離，是一種「二合一」的製備方法。
（來源：Nature Communications）
MOF 作為一種晶態的多孔材料，其應用場景之一是製備混合基質膜。傳統的方法往往是通過把 MOF 材料與聚多肽或高分子聚合物簡單混合進行合成，容易導致製備的混合基質膜不均一，造成空隙堵塞等問題。
該研究提出的新方法則是通過 MOF 材料表面暴露的金屬簇吸附水分子作為鏈引發劑，直接做原位高分子聚合，相當於通過 MOF 基底直接實現了多孔混合基質膜材料的合成。
邢航課題組一直對納米級的 MOF 晶體表介面修飾很感興趣，在前期工作中發展了一種 Porous-on-porous 的修飾方法，利用多孔的配體修飾多孔的 MOF 材料，如冠醚、分子籠等，在對 MOF 材料改性的同時，最大可能地保持多孔性[4，5]。
他指出，「在 MOF 晶體表面原位生長聚多肽，是一種直接合成多孔混合基質膜的新方法，膜均勻性和孔道的保持度都很好。並且，聚多肽本身是一種純生物材料，這是我們的方法在製備混合基質膜時的直接優勢。」
（來源：Nature Communications）
基於材料的功能性，研究人員在應用場景也進行了探索。該團隊發現該類型的膜材料對有機染料分子和重金屬鹽的吸附能力，優於那些簡單地把 MOF 與聚多肽混合起來製備成的混合基質膜。
此外，他們還進行了催化性質方面的應用探索。因為該復合材料是基於 MOF 的混合基質膜，其中 MOF 是多孔的金屬有機框架材料。而 MOF 材料根據其所含的金屬與配體的不同，可作為催化劑來實現不同的化學轉化過程。
「我們可以修改 MOF 框架結構，在其中間引入一些其他的金屬離子，將混合基質膜直接作為新型催化劑材料。比如，我們引入銅離子，就可以催化點擊化學的反應。」邢航說。
在緩釋效果方面，單純金屬有機框架材料容易降解，只有一兩天的效果，而 MOF-多肽混合基質膜能夠在一個月之內讓農藥慢慢釋放。也就是說，不需要經常噴洒農藥也可實現同樣的效果，並降解為對環境有益的有機化合物。
（來源：Nature Communications）
邢航課題組的主要研究方向是細胞表介面化學，包括研究微生物和哺乳動物細胞表面精準的化學生物學修飾方法，用於細胞膜介面上生物功能的調控和生化傳感應用。同時，他們也對無機-生物介面相互作用的機理研究感興趣。
而白玉罡課題組的主要研究建立在大分子之上，包括各種合成高分子和蛋白、核酸等天然高分子。他們利用各種功能高分子實現了數個精密的催化體系，這些大分子催化體系可以在活細胞、活體動物中工作，實現非天然催化轉化。
目前，合作團隊針對 MOF-聚多肽復合材料已展開進一步研究。例如，MOF 作為一種晶態配位聚合物，可以非常容易地通過設計配體、金屬離子，甚至整個框架的拓撲結構，來調控的金屬簇之間的距離，可以幫助研究人員從機理角度對 NCA 聚合協同加速機理進行深入研究，包括每條動態的 α-螺旋之間的距離、緊密程度、排布方式等對聚合的影響。此外，他們也計劃通過模塊變換的方法製備一系列多功能混合機制膜材料，從而探索更多應用方面的可能性。
參考資料：
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.