由于氧气具有自由基淬灭能力，自由基反应包括自由基聚合需要严格去除氧气。对反应体系中的溶剂、试剂以及反应瓶的除氧操作常常需要耗费较多的时间和人力。利用酶反应除氧，能够有效除去反应体系中的溶解氧，使得原子转移自由基聚合（ATRP）和可逆加成-断裂链转移聚合（RAFT）这类可控自由基聚合能够在敞开的有氧氛围中进行。然而这类利用酶反应除氧的方法通常具有几个明显缺陷，一是需要代替牺牲试剂（sacrificial reagents），二是产生其他强氧化剂，三仅仅适用于少数的催化剂和单体。受到酶反应除氧的启发，近日美国德州奥斯丁大学的Benjamin K. Keitz教授团队利用希瓦氏菌（Shewanella oneidensis (wild type, MR-1)）实现了在敞开体系有氧环境中进行ATRP活性聚合。该工作在以 “Aerobic radical polymerization mediated by microbial metabolism”为题在《Nature Chemistry》上报道。两年前，Benjamin K. Keitz教授团队在《PNAS》上报到了希瓦氏菌能够作为电子给体，在无氧情况下还原Cu2+成为Cu+并启动ATRP聚合。作者偶然发现，实验台上含有希瓦氏菌的培养皿在有氧条件下依然能够进行ATRP活性聚合。居于这一发现，作者系统研究了这一课题，发现希瓦氏菌可以在有氧敞开环境中利用ppm级浓度的催化剂对于多种单体实现ATRP活性聚合。希瓦氏菌在聚合体系中承担着两个作用，其一是利用呼吸代谢消耗反应体系中的溶解氧，其二是在能够发生细胞外电子传递（extracellular electron transfer (EET)）将Cu2+还原成Cu+并激活ATRP（图一）。图1，希瓦氏菌的同时具有利用呼吸作用消耗氧气与利用EET通路激活催化剂双重功能。作者首先证实了再希瓦氏菌浓度为OD600=0.2时，无论是在聚合条件还是自然状态下均能够在一小时之内将溶解氧消耗完（图2A）。并通过控制变量实验证实了，Cu2+-TPMA催化剂、引发剂、以及希瓦氏菌的低于ATRP活性聚合均不可或缺（图2B）。更进一步，作者证实了加热致死以及裂解致死的希瓦氏菌与大肠杆菌溶液均无法在有氧环境实现聚合，在无氧环境中裂解的希瓦氏菌与大肠杆菌溶液具有一定的聚合能力（图2C）。紧接着，作者通过实验发现当希瓦氏菌的浓度达到OD600=0.1及以上是才能够及时有效地消耗反应体系中的溶解氧，保护ATRP聚合活性自由基不被淬灭（图2D）。除了通过代谢消耗溶解氧之外，希瓦氏菌的第二个重要功能便是细胞外的电子传递通路（EET）。EET通路末端由mtrC与omcA蛋白构成（图3a），作者发现敲除mtrC与omcA蛋白的希瓦氏菌的聚合效率显著低于野生型希瓦氏菌。此外作者也研究了TPMA, bpy, Me6TREN三种配体对于铜配合物催化剂效率的影响，其催化效率为TPMA > bpy > Me6TREN (图3b和3c)。在铜催化剂之外，作者发现希瓦氏菌也能够协同铁、钌、钴等催化剂进行ATRP活性聚合。此外，作者将该方法应用于多个种类单体的ATRP聚合，亲水性的OEOMA300(0, HEMA, NIPAM等在有氧和无氧环境中均具有较高的转化率和较好的分子量分布 （表1）。在水中无法溶解且有毒的styrene单体则可以通过乳液的方式进行聚合，但转化率较低。图3，a, 希瓦氏菌的EET通路; b和c，不同菌群浓度下不同配体对于催化剂效率的影响。表1，不同种类单体在希瓦氏菌体系中有氧和无氧两种环境中的ATRP聚合速率。更令人感动惊喜的是，在反应体系中鼓入氧气气泡，可以临时暂停反应！当停止通入氧气后，反应得以继续进行。这是由于停止通氧后，希瓦氏菌通过代谢作用消耗溶解氧，并提供电子重新激活催化剂（图4c和4d）。这一特点使得该方法能够实现依赖氧气浓度的ATRP聚合反应的时间与空间调控，可以作为传统的光、力、电等刺激调控的重要补充！此外，作者通过先加入OEOMA300单体，并在2小时过后加入与HEMA单体，得到了POEOMA300-b-PHEMA嵌段共聚物（图4a和4b），展示了该方法构建不同结构聚合物的能力。图4，a，POEOMA300-b-PHEMA嵌段共聚物的合成；b，嵌段共聚物的GPC表征。c,d 通入氧气后可以临时终止聚合反应。读到这里，读者或许会认为培养足够量的希瓦氏菌依然比较麻烦，还是不够方便！这个问题作者也想到了。于是作者通过实验证明，冻干后的希瓦氏菌粉末依然能够在有氧条件下协助ATRP聚合，尽管效率要低于活的西瓦氏菌。鲜活的希瓦氏菌在聚合完成后，通过离心分离回收后，依然能够继续使用 （图5）。这两个实验结果使得该方法的推广与大规模使用具备了良好的基础。图5，冻干与循环回收的西瓦氏菌依然能够在有氧环境从协助ATRP反应的进行。本文作者展示了希瓦氏菌能够通过代谢作用消耗溶解氧并通过细胞外电子传递通路激活ATRP催化剂，实现在有氧开放环境中的ATRP活性聚合。在ppm级催化剂的条件下，反应依然具有良好的可控性。在通入氧气气泡的条件下，可以临时暂停聚合。冻干的西瓦氏菌依然具有在有氧条件下协助聚合的能力，使得该方法具有良好的推广基础。
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