近日，物质学院李健课题组利用合成生物学、化学及材料科学等多学科交叉技术开发出可调控的“即插即用”多功能催化材料，相关成果在线发表于国际知名学术期刊ACS Catalysis。
在蛋白质-高分子聚合物的缀合物（protein-polymer conjugates）中，高分子聚合物以共价键结合到蛋白质上，可提高蛋白质的稳定性和生物相容性，同时也赋予蛋白质温度响应和自组装性能等特性，被广泛应用于生物医药、生物技术和纳米技术等领域中。为制备蛋白质-聚合物缀合物，人们通常采用原子转移自由基聚合等化学方法，使高分子聚合物与蛋白质进行耦合，但是这一耦合过程往往涉及较为苛刻的试剂与化学反应，会造成蛋白质（如酶）的功能或活性损失；此外，一旦蛋白质-聚合物缀合物被合成，它们的性质及功能也就固定了，难以再做进一步的功能化开发，限制了后续对该缀合物的更多潜在应用研究。
针对上述问题，李健团队提出了一种制备蛋白质-聚合物缀合物的新策略，既可以最大程度地保护目标蛋白（如酶）的催化功能，又可以作为一种通用材料，被不同类型的催化剂（例如生物催化剂或纳米催化剂）再次功能化后进行催化反应。
研究人员选取一种无催化功能的骨架蛋白，首先通过合成生物学手段将非天然氨基酸定点引入该骨架蛋白，同时在其上融合SpyTag肽段作为后续功能化的抓手。其次通过化学方法对非天然氨基酸位点进行高分子聚合反应，制备出通用型蛋白质-聚合物缀合物。随后在温和的反应条件下，利用生物“点击”化学反应（click reaction）（即SpyTag-SpyCatcher反应）将不同的功能基团与缀合物进行连接，进而形成“功能基团-骨架蛋白-高分子聚合物”的复合物，该复合物即可行使功能基团的催化功能。理论上，这一通用型蛋白质-聚合物缀合物可与任何催化功能基团通过“点击”反应进行“即插即用”式功能化，实现可调控的催化反应。
为了便于缀合物的应用，研究人员还将缀合物制成水凝胶，并分别选取了绿色荧光蛋白、生物催化剂（酶）以及纳米金催化剂对缀合物进行功能化。结果表明，这些功能分子均可成功与水凝胶中的缀合物通过“点击”反应进行耦合，并能保持自身的相应功能。有趣的是，功能化的凝胶催化材料还能按照预先设计实现酶促-化学级联催化反应。这一“即插即用”多功能催化材料的开发在化学合成、工业/生物催化以及生物医药等领域具有广泛的应用前景。
图. (a) “功能基团-骨架蛋白-聚合物”制备过程示意图。(b) 功能化缀合物水凝胶材料实现酶促-化学级联催化反应。
上海科技大学物质科学与技术学院博士后刘雨诗为论文第一作者，李健教授为唯一通讯作者，上海科技大学为第一完成单位。
论文标题：Plug-and-play functionalization of protein-polymer conjugates for tunable catalysis enabled by genetically encoded “click” chemistry
论文链接：https://doi.org/10.1021/acscatal.2c00846
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