可逆失活自由基聚合（RDRP）技术，包括原子转移自由基聚合（ATRP）和可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合，是构筑具有可控分子量及其分布、化学组成以及链拓扑与结构的精确聚合物的强有力手段。由于这些技术能够精确调控多种单体体系的聚合过程，因此已广泛应用于界面工程、3D打印、聚合物网络构筑、分子印迹以及聚合物-生物分子偶联等领域。由活细胞介导的RDRP在构建工程化活性材料方面具有重要价值，因为其将生物技术与高分子化学相结合，可在温和条件下制备结构精确的聚合物。特别是自由基聚合过程优异的生物相容性，RDRP在活细胞修饰中的应用受到了广泛关注。例如，通过细胞外RDRP合成的聚合物可用于细胞包覆或细胞表面工程，而细胞内合成的聚合物可用于调控生物体的功能与行为，并构建具有自适应与可编程能力的生物杂化系统或活性材料，用于细胞治疗等医学领域。在大部分体系中，细胞原位发生的聚合反应主要由外部刺激（如光）触发，而细胞代谢对聚合过程几乎不产生影响或调控。因此，构建由微生物代谢途径直接触发并在细胞原位进行的RDRP体系，对于合成具有“生命化”功能的合成材料具有重要意义。

  Alexander、Keitz和Rawson等研究团队报道利用细菌的金属还原活性实现了多种活细胞触发的ATRP过程。然而，由于RAFT聚合需要持续提供自由基以启动并维持聚合，这对发展活细胞触发的RAFT体系提出了挑战。最近，Qiao课题组报道了微生物触发的RAFT聚合，利用细菌末端电子传递链还原外源芳基重氮盐引发剂，从而生成芳基自由基以启动RAFT聚合。尽管活细胞能够还原外源自由基引发剂，但生成的自由基会导致聚合物分子结构中的端基异质性和聚合链终止，从而影响了高分子的物理化学性质并限制了在生物高分子材料领域的应用。特别是在聚合反应过程中，外源引发剂产生的自由基不仅会生成新的聚合链（引发剂来源的链），降低目标聚合物的分子量，还会导致终止链的逐步累积，提高聚合物分散度。这种副反应的影响在嵌段共聚物的制备中尤为明显，最终难以获得高纯度的嵌段聚合物。此外，为实现较高聚合转化率，RAFT通常需要使用高浓度自由基引发剂，这会造成明显的细胞毒性，从而限制活细胞触发RAFT聚合体系的发展。

  为消除外源引发剂对聚合反应的影响，近年来发展了多种依赖外部刺激（如光、电）的RAFT聚合调控方法，能够通过触发电子转移还原链转移试剂（chain transfer agent, CTA）生成自由基，从而引发RAFT聚合。因此，通过生物还原CTA产生引发自由基有望成为构建活细胞触发RAFT聚合的替代策略。然而，在生理条件下，微生物产生的电子介体的还原电位通常高于CTA的还原电位。因此，在热力学上，电子介体难以还原CTA产生自由基，这也成为构建活细胞原位触发RAFT聚合体系的关键难题。

  近期，东北大学生命科学与健康学院/天津大学合成生物技术全国重点实验室宋浩团队基于电活性微生物希瓦氏菌（Shewanella oneidensis）的胞外电子传递（extracellular electron transfer, EET）性质，开发了一种微生物触发的可控的可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合系统（图 1）。该体系利用工程化S. oneidensis 分泌的黄素类物质（包括核黄素riboflavin、和黄素单核苷酸FMN）作为电子介体，其光激发能够直接高效还原自由基聚合的CTA，从而产生自由基，启动并维持RAFT聚合。结合微生物细胞电子传递和光激发的协同机制，该技术可以避免使用自由基聚合的引发剂，从而避免了合成高分子结构中的端基异质性，实现了高聚物分子机构的有效调控。通过合成生物学与聚合反应的交叉融合，构建了一个电活性细胞驱动的自由基RAFT聚合的可持续、可控的聚合反应平台。

  2025年11月21日，该工作以“Photo-excited extracellular electron transfer of electroactive microorganism triggers RAFT polymerization”为题发表在《Nature Communications》上（Nat. Commun. 2025, 16, 10257）。文章第一作者为东北大学生命科学与健康学院李超博士和南开大学生命科学学院博士后刘静博士，宋浩教授为论文通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金委的支持。

图1. 通过基因工程改造的Shewanella oneidensis 的光激发胞外电子转移构建电活性微生物触发的可逆加成-断裂链转移（RAFT）聚合体系。首先，通过合成生物学方法，将来源于Bacillus subtilis的黄素类化合物（flavins）生物合成途径和来源于Pseudomonas aeruginosa的孔蛋白OprF异源表达于S. oneidensis，以增强黄素的合成与分泌能力。其次，黄素作为电子介体，将微生物的胞外电子转移（EET）与光诱导电子转移（PET）耦合，用于还原链转移剂（CTA，如硫羰基硫类），从而产生自由基并触发微生物介导的RAFT聚合。在该过程中，电子传递途径包括三个步骤：（i）工程化S. oneidensis通过D-乳酸代谢产生的电子经过胞内电子传递过程；（ii）黄素经EET过程被还原；（iii）CTA经PET过程被还原。具体而言，S. oneidensis代谢D-乳酸所产生的电子首先通过细胞质膜蛋白CymA传递，进而还原周质蛋白，这些蛋白再将电子传递至Mtr通路（即电子经MtrA传递至MtrC和OmcA）。随后，电子进一步传递至细胞内源分泌的黄素分子。通过EET途径对黄素（FL）进行生物还原，生成完全还原态的黄素氢醌（FL_hq）。在光激发下，FL_hq形成光激发中间体FL_hq*，该中间体通过PET还原CTA，产生自由基并启动RAFT聚合。

  在传统RAFT聚合中，外加自由基引发剂可能对细胞产生毒性，并导致聚合产物的端基异质性。因此，为了消除对外源自由基引发剂的依赖，作者首先探索构建了黄素介导的电活性微生物胞外电子转移驱动的RAFT聚合体系（图 2a）。然而，在该条件下，无论使用核黄素还是FMN，都无法实现聚合反应（图 2b）。通过循环伏安法（CV）分析了黄素及一系列 CTA 的电化学性质，计算得到从FL_hq向CTA的电子转移的吉布斯自由能ΔG_EET为正（ΔG_EET > 0）（图 2c），表明黄素还原 CTA 的反应在热力学上不可行，因此在该条件下无法生成自由基引发聚合。光诱导电子转移（PET）是一种被广泛应用的机制，它能够实现分子在基态下无法进行的电子转移反应。因此为克服电子转移的热力学障碍，作者利用FL_hq作为光催化剂，在蓝光照射下，通过PET过程还原CT产生自由基引发聚合反应（图 2b）。为进一步阐明反应机理，作者采用密度泛函理论（DFT）计算了黄素氢醌激发态（FL_hq*）的还原电位，计算得到从激发态FL_hq*向CTA1的PET吉布斯自由能ΔG_PET分别为 -33.76 kcal mol?1（Riboflavin_hq*）和 -30.23 kcal mol?1（FMN_hq*）（图 2c），进一步支持了FL_hq* 还原CTA在热力学上是可行的。

图2. S. oneidensis 触发的RAFT聚合的热力学分析。

  为了考察微生物介导的聚合反应的可控性，作者分别以核黄素和FMN作为电子介体进行了聚合动力学研究。动力学数据表明（图3），微生物触发的自由基聚合反应符合可控自由基聚合的特征，并可通过光开关实现聚合反应的实时调控。值得注意的是，在聚合反应开始前未观察到以往PETRAFT研究中常见的诱导期，进一步说明该体系能够增强RAFT聚合中的自由基启动过程。在成功建立黄素介导的RAFT聚合体系后，进一步研究了外加黄素浓度对RAFT聚合的影响。如图3f和3g所示，当黄素浓度从0.2 μM增加到20 μM时，聚合反应速率呈线性增加。尽管在RAFT聚合中外源添加商业化的核黄素或FMN可以显著提高单体转化率，但作为昂贵添加剂的成本将限制其在大规模聚合中的应用。因此，开发一种能够增强内源黄素合成能力的工程化S. oneidensis菌株，对于调控RAFT聚合性能至关重要。

图3. 外加黄素（核黄素与FMN）条件下S. oneidensis触发的RAFT聚合动力学。

  为了提高S. oneidensis触发的RAFT聚合体系中的黄素水平，作者开发了一种模块化合成生物学策略，以增强黄素的生物合成和跨膜转运（图 4）。首先为了增强黄素生物合成途径的表达并提升黄素产量，系统研究了若干与S. oneidensis兼容的启动子。筛选到工程菌株Ptet的黄素产量和相应的聚合速率均显著提高。然后将孔蛋白OprF引入重组Ptet菌株，以增强黄素转运。为了避免孔蛋白过度表达引起的细胞毒性，设计了若干核糖体结合位点（RBS）调控OprF 的表达水平。结果表明，通过优化OprF表达，工程菌株P-RBS可加速黄素穿膜转运，提高胞外黄素浓度，从而提升聚合单体转化率。进一步评估P-RBS4介导的聚合动力学，观察到单体转化率随反应时间呈线性增加，分子量分布随转化率变化规律符合可控聚合特征。为研究EET组分（即c-Cyts）对RAFT聚合的影响，我们进一步考察了敲除特定c-Cyts对聚合动力学的影响。结果表明c-Cyts在将电子从细胞输送至胞外黄素中的关键作用，并可通过遗传改造进行有效调控。

图4. 对S. oneidensis进行基因工程改造以实现并优化黄素的从头合成与分泌，以及其对RAFT聚合单体转化率的影响。

  综上所述，作者构建了一种由电活性微生物S. oneidensis触发的RAFT聚合体系，该体系能够通过微生物直接还原CTA，并结合光激发连续产生自由基，从而避免聚合物中端基异质性，并维持RAFT聚合的进行。其中生物还原与光激发协同作用，使电子能够从细胞高效转移至CTA，克服了细胞分泌黄素直接还原CTA所面临的热力学障碍。利用该工程化的S. oneidensis驱动聚合反应体系，作者成功实现了多种单体和CTA的RAFT聚合，获得了单分散性良好的均聚物和嵌段共聚物，其单体转化率可高达 99%，分散系数（D）可低至1.11。这一微生物触发的RAFT聚合体系将成为实现活性微生物介导RAFT聚合的有力手段，并有望拓展至更多活体生物体系。

  原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-65119-x