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  β-多肽由β-氨基酸通過肽鍵連接而成，具有與天然多肽（α-多肽）相似的結構、優異的生物相容性和抗蛋白酶水解的優點。自1996年Gellman教授首次用β多肽成功模擬了天然多肽的二級結構以來（J. Am. Chem. Soc. 1996, 118, 13071; Nature 1997, 387，381） β-多肽逐漸被廣泛用于天然多肽結構和功能模擬，以及在蛋白折疊、藥物開發、生物材料等領域的應用研究。β-多肽在體內的穩定性是開展相關研究的突出優勢之一，例如被用于研究解決天然多肽類藥物體內穩定性差、生物利用度低的顯著缺點。β-多肽的合成，除了傳統耗時耗力的逐步固相合成法，β-內酰胺（β-lactam）開環聚合是目前最常用的β-多肽快速合成方法。但是，β-lactam開環聚合的強堿性反應環境限制了對堿不穩定的功能基團和β-多肽的結構多樣性和應用，且聚合反應對水極為敏感，需要使用干燥溶劑在手套箱中操作；無法實現C-端可控官能化和N-/C-兩端同時可控官能化。

  劉潤輝教授課題組致力于解決上述β-多肽合成的核心問題和挑戰，建立了反應條件溫和、對水分不敏感的β-氨基酸N-硫代羧基酸酐（β-NTA）開環聚合，以伯胺作為引發劑實現了可在敞口容器中制備可控二級結構β-多肽的突破性進展，擺脫了對手套箱和干燥溶劑的依賴。

  以側鏈含酯基的β-多肽poly（Bn-β³-LCHG）合成為例，比較β-lactam開環聚合和β-NTA開環聚合兩種方法，通過¹H NMR和MALDI-TOF-MS表征發現：β-lactam聚合只能回收到側鏈芐酯基消失的副產物；而β-NTA聚合得到了側鏈芐酯基完好的目標產物β-多肽。進一步通過合成側鏈含有不同功能化基團的β-NTA單體，展示了對水分不敏感、可在手套箱外敞口容器中進行的β-NTA開環聚合反應，制備了各種不同鏈長（DP=10-505）、低分散性（?=1.07-1.31）的β-多肽均聚物以及無規和嵌段共聚物（圖1）。

圖1. (a) β-lactam和β-NTA 開環聚合對比；(b) β-lactam聚合制備poly（Bn-β³-LCHG）的表征；(c) β-NTA聚合制備poly（Bn-β³-LCHG）的表征；(d) 伯胺引發不同側鏈的β-NTA聚合。

  論文還展示了在敞口容器中10克級的β³-HPhG NTA聚合反應，并順利得到5.6 克（76.5%收率）的目標產物多肽poly（β³-HPhG）。MALDI-TOF-MS表征驗證了通過伯胺引發劑引入β-多肽C-端的官能團（對叔丁基芐胺）。對比在手套箱中氮氣保護條件下的β-NTA聚合，手套箱外敞口容器中進行的β-NTA聚合能夠得到相同穩定二級結構的目標多肽（圖2）。

圖2. (a) 10克級的β³-HPhG NTA敞口聚合展示；(b) 10克級的β³-HPhG NTA聚合產物的MALDI-TOF-MS表征；(c) 敞口聚合得到的不同鏈長的poly（Cbz-β²-LDAP）的圓二色譜表征。

  論文進一步探究了β-NTA開環聚合的機理。首先，引發劑伯胺與β-NTA環上的羰基進行親核加成，β-NTA開環后釋放COS分子生成新的末端為伯胺的中間體并繼續與β-NTA反應實現鏈的增長（圖3a）。通過分析引發劑和單體1：1混合物的質譜，發現生成的末端為伯胺的中間體結構（圖3b）；同時，MALDI-TOF-MS表征證實了正己胺引發得到的聚合產物多肽C-端的正己胺基團，進一步支持了上述聚合機理（圖3c）。

圖3. (a) 提出伯胺引發β-NTA聚合的機理；(b) Bn-β³-LCHG NTA:正己胺（1:1）混合物的高分辨質譜表征；(c) 10 克級的β³-HPhG NTA聚合產物的MALDI-TOF-MS表征；(d) 敞口條件下的Bn-β³-LCHG NTA:正己胺（10:1）的聚合產物的MALDI-TOF-MS表征。

  目前廣泛應用的β-lactam開環聚合制備β-多肽方法的一個顯著缺點是無法實現C-端可控官能化和N-/C-兩端同時可控官能化；本研究展示了β-NTA開環聚合方法制備多肽可完美地解決這一問題。通過模擬式宿主防御肽作為研究對象，用端基伯胺的熒光染料（Dye-NH₂）引發β³-HPhG NTA和Cbz-β²-LDAP NTA混合單體的共聚，順利獲得C-端熒光基團修飾的多肽，并通過原位與N,N-二（2-吡啶甲基）甘氨酸（DPA）反應獲得N-/C-兩端同時可控官能化的β-多肽（Dye-peptide-DPA）（圖4a）。本論文還通過多肽抗菌機理研究和增強多肽抗菌功能研究兩方面，初步展示了N-/C-兩端同時可控官能化的重要意義和潛在應用價值（圖3b-d）。鑒于伯胺引發β-NTA開環聚合的突出可控性，作者還展示了通過逐步向反應體系中加入聚合單體的逐步聚合反應，并順利得到粗產率為71.8％的結構精確的β-六肽。

圖4. (a) 模擬宿主防御肽的4-嗎啉基-1,8-萘酰亞胺染料（Dye）和N,N-二（2-吡啶甲基）甘氨酸（DPA）雙功能化的β-多肽（Dye-peptide-DPA）合成；(b) DPA功能化后的β-多肽對B. sub的抗菌活性影響；(c) 在PI存在下的Dye-peptide-DPA 殺死細菌過程中的confocal圖片，Scale bar, 1μm；(d) 12.5 μg/mL 的Dye-peptide-DPA 處理B. sub前后的SEM圖片；(e) 敞口條件下Methyl-PEG₄-NH₂引發β-NTA逐步聚合反應制備混合序列β-多肽。

  本研究所建立的擺脫對手套箱和干燥溶劑依賴的反應條件溫和、對水分不敏感的β-NTA開環聚合制備β-多肽合成方法，將會拓展β-多肽的結構多樣性和可控二級結構多肽的制備及功能和機理研究。簡便的合成操作也為多肽相關領域非有機合成背景研究人員提供了更加友好和容易掌握的合成方法，在醫藥、組織工程、生物材料、生物學和化學等諸多領域具有廣闊應用前景。該研究成果以題為“Water Insensitive Synthesis of Poly-β-Peptides with Defined Architecture”發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）。

  華東理工大學材料科學與工程學院博士生周敏是該成果的第一作者，華東理工大學劉潤輝教授是唯一通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金委、科技部等基金的資助。

  論文鏈接: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202001697