Aerobic radical polymerization mediated by microbial metabolism

舍瓦内拉 化学 聚合 光化学 催化作用 细胞呼吸 氧气 组合化学 有机化学 细菌 聚合物 生物化学 线粒体 遗传学 生物
作者
Gang Fan,Austin J. Graham,Jayaker Kolli,Nathaniel A. Lynd,Benjamin K. Keitz
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:12 (7): 638-646 被引量:84
标识
DOI:10.1038/s41557-020-0460-1
摘要

Performing radical polymerizations under ambient conditions is a major challenge because molecular oxygen is an effective radical quencher. Here we show that the facultative electrogen Shewanella oneidensis can control metal-catalysed living radical polymerizations under apparent aerobic conditions by first consuming dissolved oxygen via aerobic respiration, and then directing extracellular electron flux to a metal catalyst. In both open and closed containers, S. oneidensis enabled living radical polymerizations without requiring the preremoval of oxygen. Polymerization activity was closely tied to S. oneidensis anaerobic metabolism through specific extracellular electron transfer proteins and was effective for a variety of monomers using low (parts per million) concentrations of metal catalysts. Finally, polymerizations survived repeated challenges of oxygen exposure and could be initiated using lyophilized or spent (recycled) cells. Overall, our results demonstrate how the unique ability of S. oneidensis to use both oxygen and metals as respiratory electron acceptors can be leveraged to address salient challenges in polymer synthesis. Oxygen is a potent inhibitor of radical polymerization reactions, but the facultative bacterium Shewanella oneidensis has now been shown to facilitate aerobic radical polymerizations by first consuming dissolved oxygen and then directing extracellular electron flux to a metal catalyst. Aerobic polymerization activity is dependent on the S. oneidensis genotype and can be initiated using lyophilized or spent cells.
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