《ACS Macro Letters》：Buffer and Polymer Molecular Weight Affect Zinc Myoglobin-Mediated PET-RAFT Polymerizations
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蛋白质光催化剂为合成和转化小分子提供了一种强大且高度适应性的方法；然而，它们在光催化聚合物合成中的应用仍未得到充分探索。特别是在光诱导电子/能量转移可逆活化断裂链转移（PET-RAFT）聚合的背景下，聚合物分子量和蛋白质结构的影响尚属未知。在此，研究人员研究了
蛋白质光催化剂为合成和转化小分子提供了一种强大且高度适应性的方法；然而，它们在光催化聚合物合成中的应用仍未得到充分探索。特别是在光诱导电子/能量转移可逆活化断裂链转移（PET-RAFT）聚合的背景下，聚合物分子量和蛋白质结构的影响尚属未知。在此，研究人员研究了缓冲液条件和大分子链转移剂（macro-CTA）的分子量对锌肌红蛋白（ZnMb）介导的PET-RAFT链延伸聚合的影响。在tris缓冲液中进行的链延伸反应表现出比在PBS中高17%的表观速率常数。Macro-CTA摩尔质量也影响了链延伸聚合的速率，其中22 kg/mol的macro-CTA显示出比75 kg/mol的macro-CTA快40%的链延伸表观速率常数。最后，研究人员计算了模型聚合物的溶剂可及表面积（SASA），发现随着macro-CTA摩尔质量的增加，RAFT末端基团对蛋白质光催化剂的可及性降低，证实了观察到的表观速率常数下降。总体而言，这项工作通过考察聚合条件如何影响催化剂性能，为使用蛋白质作为PET-RAFT催化剂提供了见解。
该研究聚焦于蛋白质光催化剂在光诱导电子/能量转移可逆活化断裂链转移（PET-RAFT）聚合中的应用机制，针对缓冲液环境及大分子链转移剂（macro-CTA）分子量对锌肌红蛋白（ZnMb）催化性能的影响进行了深入探讨。论文发表于《ACS Macro Letters》。
研究背景指出，可逆失活自由基聚合（RDRP）能够合成分子量可调且分散度窄的聚合物，广泛应用于自组装、蛋白质功能调控等领域。PET-RAFT聚合作为RDRP的一种，利用光催化剂裂解硫代羰基硫化合物的C-S键引入自由基。尽管金属配合物、有机染料等多种光催化剂已被应用，但生物大分子尤其是具有固有光活性的蛋白质在该领域的潜力尚未被充分挖掘。此前研究表明，ZnMb虽能有效引发丙烯酰胺类的PET-RAFT聚合，但在聚合过程中存在蛋白质降解及表观速率常数下降的问题，研究人员推测这可能与生长聚合物与蛋白质催化剂之间的空间位阻效应有关，且聚合物分子量对蛋白质催化的具体影响尚不明确。因此，本研究旨在阐明缓冲液条件和macro-CTA分子量对ZnMb介导的PET-RAFT链延伸聚合动力学及产物结构的影响。
关键技术方法包括：采用热RAFT聚合法合成不同分子量的聚（N,N-二甲基丙烯酰胺）（PDMA）macro-CTA；利用1H NMR光谱和凝胶渗透色谱（GPC）对链延伸聚合进行动力学监测及分子量表征；通过改变NaCl浓度调节tris缓冲液的离子强度；借助全原子显式溶剂分子动力学模拟计算聚合物的溶剂可及表面积（SASA）。
研究结果显示，在缓冲液条件研究中，比较PBS与tris缓冲液发现，tris缓冲液中的链延伸聚合表现出比PBS高17%的表观速率常数（0.23 ± 0.02 h–1vs 0.19 ± 0.02 h–1），且tris缓冲液能维持更线性的拟一级动力学行为，表明其更有利于稳定ZnMb。进一步调节tris中NaCl浓度（0.15至1.5 M）发现，提高盐浓度可略微增加聚合表观速率常数（从0.28 ± 0.02 h–1升至0.39 ± 0.03 h–1），并减少高转化率下的动力学曲线弯曲，暗示高离子强度可能通过影响聚合物-蛋白质相互作用或稳定卟啉辅基来优化催化效率。
在macro-CTA分子量影响研究中，对比22 kg/mol与75 kg/mol的PDMA macro-CTA发现，低分子量macro-CTA（22 kg/mol）的链延伸表观速率常数显著高于高分子量者（75 kg/mol），前者在tris（1.5 M NaCl）中速率常数达0.39 ± 0.03 h–1，后者仅为0.23 ± 0.05 h–1，降幅约40%。GPC分析表明，尽管两种macro-CTA在早期均呈现分子量随转化率线性增加的趋势，但高分子量macro-CTA在高转化率下偏离预期分子量的程度较小，且色谱图显示其低分子量区域终止事件较少。
分子动力学模拟结果揭示了上述现象的内在机制：随着PDMA的聚合度（DP）从100增至200，以蛋白质尺寸探针对RAFT末端基团（三硫代碳酸酯）计算的SASA从10.4 ± 2.1 nm2显著降至3.8 ± 2.4 nm2，表明当聚合物数均分子量超过一定阈值后，RAFT末端对ZnMb催化剂的可及性大幅降低，从而导致反应速率下降。
讨论部分总结认为，该研究明确了缓冲液组成和聚合物分子量是调控蛋白质光催化剂（ZnMb）在PET-RAFT聚合中性能的两个关键参数。Tris缓冲液相比PBS更能稳定ZnMb并维持聚合动力学，而提高盐浓度可进一步优化反应速率。更重要的是，研究证实macro-CTA分子量通过空间位阻效应影响RAFT末端与蛋白质催化剂的接触概率，进而决定链延伸速率。这些发现为利用蛋白质作为PET-RAFT催化剂实现更可控的聚合物合成提供了重要的实验依据和理论指导，也为后续通过定向进化策略开发高选择性、高活性的蛋白质光催化剂奠定了基础。
