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  可逆失活自由基聚合（RDRP）技術，包括原子轉移自由基聚合（ATRP）和可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）聚合，是構筑具有可控分子量及其分布、化學組成以及鏈拓撲與結構的精確聚合物的強有力手段。由于這些技術能夠精確調控多種單體體系的聚合過程，因此已廣泛應用于界面工程、3D打印、聚合物網絡構筑、分子印跡以及聚合物-生物分子偶聯等領域。由活細胞介導的RDRP在構建工程化活性材料方面具有重要價值，因為其將生物技術與高分子化學相結合，可在溫和條件下制備結構精確的聚合物。特別是自由基聚合過程優異的生物相容性，RDRP在活細胞修飾中的應用受到了廣泛關注。例如，通過細胞外RDRP合成的聚合物可用于細胞包覆或細胞表面工程，而細胞內合成的聚合物可用于調控生物體的功能與行為，并構建具有自適應與可編程能力的生物雜化系統或活性材料，用于細胞治療等醫學領域。在大部分體系中，細胞原位發生的聚合反應主要由外部刺激（如光）觸發，而細胞代謝對聚合過程幾乎不產生影響或調控。因此，構建由微生物代謝途徑直接觸發并在細胞原位進行的RDRP體系，對于合成具有“生命化”功能的合成材料具有重要意義。

  Alexander、Keitz和Rawson等研究團隊報道利用細菌的金屬還原活性實現了多種活細胞觸發的ATRP過程。然而，由于RAFT聚合需要持續提供自由基以啟動并維持聚合，這對發展活細胞觸發的RAFT體系提出了挑戰。最近，Qiao課題組報道了微生物觸發的RAFT聚合，利用細菌末端電子傳遞鏈還原外源芳基重氮鹽引發劑，從而生成芳基自由基以啟動RAFT聚合。盡管活細胞能夠還原外源自由基引發劑，但生成的自由基會導致聚合物分子結構中的端基異質性和聚合鏈終止，從而影響了高分子的物理化學性質并限制了在生物高分子材料領域的應用。特別是在聚合反應過程中，外源引發劑產生的自由基不僅會生成新的聚合鏈（引發劑來源的鏈），降低目標聚合物的分子量，還會導致終止鏈的逐步累積，提高聚合物分散度。這種副反應的影響在嵌段共聚物的制備中尤為明顯，最終難以獲得高純度的嵌段聚合物。此外，為實現較高聚合轉化率，RAFT通常需要使用高濃度自由基引發劑，這會造成明顯的細胞毒性，從而限制活細胞觸發RAFT聚合體系的發展。

  為消除外源引發劑對聚合反應的影響，近年來發展了多種依賴外部刺激（如光、電）的RAFT聚合調控方法，能夠通過觸發電子轉移還原鏈轉移試劑（chain transfer agent, CTA）生成自由基，從而引發RAFT聚合。因此，通過生物還原CTA產生引發自由基有望成為構建活細胞觸發RAFT聚合的替代策略。然而，在生理條件下，微生物產生的電子介體的還原電位通常高于CTA的還原電位。因此，在熱力學上，電子介體難以還原CTA產生自由基，這也成為構建活細胞原位觸發RAFT聚合體系的關鍵難題。

  近期，東北大學生命科學與健康學院/天津大學合成生物技術全國重點實驗室宋浩團隊基于電活性微生物希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）的胞外電子傳遞（extracellular electron transfer, EET）性質，開發了一種微生物觸發的可控的可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）聚合系統（圖 1）。該體系利用工程化S. oneidensis 分泌的黃素類物質（包括核黃素riboflavin、和黃素單核苷酸FMN）作為電子介體，其光激發能夠直接高效還原自由基聚合的CTA，從而產生自由基，啟動并維持RAFT聚合。結合微生物細胞電子傳遞和光激發的協同機制，該技術可以避免使用自由基聚合的引發劑，從而避免了合成高分子結構中的端基異質性，實現了高聚物分子機構的有效調控。通過合成生物學與聚合反應的交叉融合，構建了一個電活性細胞驅動的自由基RAFT聚合的可持續、可控的聚合反應平臺。

  2025年11月21日，該工作以“Photo-excited extracellular electron transfer of electroactive microorganism triggers RAFT polymerization”為題發表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2025, 16, 10257）。文章第一作者為東北大學生命科學與健康學院李超博士和南開大學生命科學學院博士后劉靜博士，宋浩教授為論文通訊作者。該研究得到了國家重點研發計劃和國家自然科學基金委的支持。

圖1. 通過基因工程改造的Shewanella oneidensis 的光激發胞外電子轉移構建電活性微生物觸發的可逆加成-斷裂鏈轉移（RAFT）聚合體系。首先，通過合成生物學方法，將來源于Bacillus subtilis的黃素類化合物（flavins）生物合成途徑和來源于Pseudomonas aeruginosa的孔蛋白OprF異源表達于S. oneidensis，以增強黃素的合成與分泌能力。其次，黃素作為電子介體，將微生物的胞外電子轉移（EET）與光誘導電子轉移（PET）耦合，用于還原鏈轉移劑（CTA，如硫羰基硫類），從而產生自由基并觸發微生物介導的RAFT聚合。在該過程中，電子傳遞途徑包括三個步驟：（i）工程化S. oneidensis通過D-乳酸代謝產生的電子經過胞內電子傳遞過程；（ii）黃素經EET過程被還原；（iii）CTA經PET過程被還原。具體而言，S. oneidensis代謝D-乳酸所產生的電子首先通過細胞質膜蛋白CymA傳遞，進而還原周質蛋白，這些蛋白再將電子傳遞至Mtr通路（即電子經MtrA傳遞至MtrC和OmcA）。隨后，電子進一步傳遞至細胞內源分泌的黃素分子。通過EET途徑對黃素（FL）進行生物還原，生成完全還原態的黃素氫醌（FL_hq）。在光激發下，FL_hq形成光激發中間體FL_hq*，該中間體通過PET還原CTA，產生自由基并啟動RAFT聚合。

  在傳統RAFT聚合中，外加自由基引發劑可能對細胞產生毒性，并導致聚合產物的端基異質性。因此，為了消除對外源自由基引發劑的依賴，作者首先探索構建了黃素介導的電活性微生物胞外電子轉移驅動的RAFT聚合體系（圖 2a）。然而，在該條件下，無論使用核黃素還是FMN，都無法實現聚合反應（圖 2b）。通過循環伏安法（CV）分析了黃素及一系列 CTA 的電化學性質，計算得到從FL_hq向CTA的電子轉移的吉布斯自由能ΔG_EET為正（ΔG_EET > 0）（圖 2c），表明黃素還原 CTA 的反應在熱力學上不可行，因此在該條件下無法生成自由基引發聚合。光誘導電子轉移（PET）是一種被廣泛應用的機制，它能夠實現分子在基態下無法進行的電子轉移反應。因此為克服電子轉移的熱力學障礙，作者利用FL_hq作為光催化劑，在藍光照射下，通過PET過程還原CT產生自由基引發聚合反應（圖 2b）。為進一步闡明反應機理，作者采用密度泛函理論（DFT）計算了黃素氫醌激發態（FL_hq*）的還原電位，計算得到從激發態FL_hq*向CTA1的PET吉布斯自由能ΔG_PET分別為 -33.76 kcal mol?1（Riboflavin_hq*）和 -30.23 kcal mol?1（FMN_hq*）（圖 2c），進一步支持了FL_hq* 還原CTA在熱力學上是可行的。

圖2. S. oneidensis 觸發的RAFT聚合的熱力學分析。

  為了考察微生物介導的聚合反應的可控性，作者分別以核黃素和FMN作為電子介體進行了聚合動力學研究。動力學數據表明（圖3），微生物觸發的自由基聚合反應符合可控自由基聚合的特征，并可通過光開關實現聚合反應的實時調控。值得注意的是，在聚合反應開始前未觀察到以往PETRAFT研究中常見的誘導期，進一步說明該體系能夠增強RAFT聚合中的自由基啟動過程。在成功建立黃素介導的RAFT聚合體系后，進一步研究了外加黃素濃度對RAFT聚合的影響。如圖3f和3g所示，當黃素濃度從0.2 μM增加到20 μM時，聚合反應速率呈線性增加。盡管在RAFT聚合中外源添加商業化的核黃素或FMN可以顯著提高單體轉化率，但作為昂貴添加劑的成本將限制其在大規模聚合中的應用。因此，開發一種能夠增強內源黃素合成能力的工程化S. oneidensis菌株，對于調控RAFT聚合性能至關重要。

圖3. 外加黃素（核黃素與FMN）條件下S. oneidensis觸發的RAFT聚合動力學。

  為了提高S. oneidensis觸發的RAFT聚合體系中的黃素水平，作者開發了一種模塊化合成生物學策略，以增強黃素的生物合成和跨膜轉運（圖 4）。首先為了增強黃素生物合成途徑的表達并提升黃素產量，系統研究了若干與S. oneidensis兼容的啟動子。篩選到工程菌株Ptet的黃素產量和相應的聚合速率均顯著提高。然后將孔蛋白OprF引入重組Ptet菌株，以增強黃素轉運。為了避免孔蛋白過度表達引起的細胞毒性，設計了若干核糖體結合位點（RBS）調控OprF 的表達水平。結果表明，通過優化OprF表達，工程菌株P-RBS可加速黃素穿膜轉運，提高胞外黃素濃度，從而提升聚合單體轉化率。進一步評估P-RBS4介導的聚合動力學，觀察到單體轉化率隨反應時間呈線性增加，分子量分布隨轉化率變化規律符合可控聚合特征。為研究EET組分（即c-Cyts）對RAFT聚合的影響，我們進一步考察了敲除特定c-Cyts對聚合動力學的影響。結果表明c-Cyts在將電子從細胞輸送至胞外黃素中的關鍵作用，并可通過遺傳改造進行有效調控。

圖4. 對S. oneidensis進行基因工程改造以實現并優化黃素的從頭合成與分泌，以及其對RAFT聚合單體轉化率的影響。

  綜上所述，作者構建了一種由電活性微生物S. oneidensis觸發的RAFT聚合體系，該體系能夠通過微生物直接還原CTA，并結合光激發連續產生自由基，從而避免聚合物中端基異質性，并維持RAFT聚合的進行。其中生物還原與光激發協同作用，使電子能夠從細胞高效轉移至CTA，克服了細胞分泌黃素直接還原CTA所面臨的熱力學障礙。利用該工程化的S. oneidensis驅動聚合反應體系，作者成功實現了多種單體和CTA的RAFT聚合，獲得了單分散性良好的均聚物和嵌段共聚物，其單體轉化率可高達 99%，分散系數（D）可低至1.11。這一微生物觸發的RAFT聚合體系將成為實現活性微生物介導RAFT聚合的有力手段，并有望拓展至更多活體生物體系。

  原文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65119-x