將RNA的自毀密碼寫入塑料：科學(xué)家實現(xiàn)高分子材料的可編程降解

高分子材料在日常生活中無處不在。可以毫不夸張地說，以塑料為代表的高分子材料在過去短短一百年的發(fā)展里，已經(jīng)全方位地改變了人類社會。但隨之而來的，是日益嚴峻的全球性塑料污染問題。

在近些年社會與學(xué)術(shù)界共同聚焦可持續(xù)高分子材料的背景下，美國羅格斯大學(xué)教授顧宇煒團隊注意到：目前最常見的可降解塑料策略是往聚合物主鏈中引入“可被切斷的化學(xué)鍵”。然而，這些化學(xué)鍵往往只能在較為嚴苛的條件下（如強酸、強堿、高溫，甚至具有強腐蝕性的降解環(huán)境）才會斷裂。這帶來了三個主要問題：

• 降解所需的能量成本高；
• 降解過程會產(chǎn)生強腐蝕性廢液，處理成本大；
• 降解過程難以精確控制，限制了材料的應(yīng)用場景。

研究團隊的工作正是針對這些瓶頸，嘗試從化學(xué)設(shè)計層面提出一種全新的解決方案：開發(fā)能夠在溫和條件下實現(xiàn)自降解的高分子材料。

其希望，這類材料能夠顯著降低高分子降解所需的技術(shù)與能源成本，同時也能通過分子結(jié)構(gòu)設(shè)計來精準(zhǔn)調(diào)控降解速率，使其與不同塑料產(chǎn)品的預(yù)期壽命相匹配，從根本上提高可降解材料的可用性與可設(shè)計性。

（來源：https://www.nature.com/articles/s41557-025-02007-3）

與其說研究團隊研發(fā)出了一種新的可降解高分子材料，不如說為這一領(lǐng)域提供了一種全新的、具有啟發(fā)性的分子設(shè)計思路，可供學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界參考。

為了尋找能夠讓高分子在溫和條件下實現(xiàn)自降解的新策略，研究團隊把目光投向自然界。事實上，自降解機制在許多生物大分子中廣泛存在，尤其是RNA 和蛋白質(zhì)。從某種意義上來說，這是自然界為解決自身“高分子材料”——生物大分子的可持續(xù)性問題而演化出的巧妙方案。

通過分析這些生物大分子的自降解機制，研究團隊發(fā)現(xiàn)自然界采用了一種簡單卻非常有效的化學(xué)策略：在易被切斷的化學(xué)鍵附近，預(yù)先布置能夠在分子內(nèi)部觸發(fā)化學(xué)鍵斷裂的“鄰位基團”，并在空間結(jié)構(gòu)上進行極為精準(zhǔn)的排布。例如，RNA 分子中的磷酸二酯鍵、蛋白中的肽鍵，都因附近存在特定的鄰位基團而能夠在適當(dāng)條件下實現(xiàn)自我降解。更巧妙的是，自然界甚至可以通過調(diào)控這些鄰位基團與可降解鍵之間的空間距離，來精準(zhǔn)調(diào)控降解速率。

受到這一啟發(fā)，研究團隊嘗試將類似的策略引入人工合成的高分子材料中。在本研究中，研究團隊在聚合物結(jié)構(gòu)中提前、精準(zhǔn)地放置類似的鄰位基團，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這種仿生設(shè)計在人工高分子中同樣有效。研究團隊得到的材料不僅可以在無需額外試劑的情況下自發(fā)降解，而且只需調(diào)整鄰位基團與可降解化學(xué)鍵之間的相對位置，就能精準(zhǔn)調(diào)控降解速率——從數(shù)小時、數(shù)天，到數(shù)月甚至數(shù)年，都可以通過分子設(shè)計來實現(xiàn)。

如果做一個不那么嚴謹?shù)桌斫獾念惐龋杭僭O(shè)每一個塑料分子是一根納米尺度的金屬桿。傳統(tǒng)可降解聚合物的思路，類似于通過施加外力把金屬桿硬掰斷，過程費力、成本高，也不夠精細。

而研究團隊的策略就像是在金屬桿上預(yù)先布置了許多微型內(nèi)置切割工具，這些工具無需外界幫助，便能在適當(dāng)條件下自動把金屬桿切斷，實現(xiàn)降解。更重要的是，化學(xué)家能夠精準(zhǔn)調(diào)控這些內(nèi)置工具與金屬桿的距離，從而控制切割發(fā)生的速度。

如果從底層邏輯來看，本次研究是一項典型的仿生工作。嚴格來說，利用精準(zhǔn)放置的鄰位基團來控制高分子自降解這一首創(chuàng)，其實在幾億年前就已經(jīng)被自然界率先完成了。RNA、蛋白質(zhì)等生物大分子的降解機制本質(zhì)上就是在利用這一策略。

在這一前提下，研究團隊的工作可以說是首次將這種簡單而高效的仿生機制成功引入到人工合成高分子體系中，從而實現(xiàn)了在溫和條件下、無需外加試劑即可自降解的高分子材料。這也是研究團隊認為本研究最具創(chuàng)新性的突破所在。

這項工作本質(zhì)上仍屬于概念驗證（proof of concept），研究團隊在論文中展示的材料距離直接應(yīng)用顯然還有相當(dāng)?shù)木嚯x。但研究團隊認為，這一仿生的高分子自降解機制在多個方向都具有明確的潛在應(yīng)用價值。

首先，是開發(fā)可用于包裝的商用高分子材料。如果將這種分子層面可編程的自降解機制應(yīng)用于日常包裝材料，那么即使包裝被隨意丟棄，它們也會按照預(yù)先設(shè)定的分子結(jié)構(gòu)自行降解，不會長期累積在環(huán)境中。這不僅能顯著降低廢棄物處理成本，也能從源頭上減少塑料污染。

第二，開發(fā)高性能且可自然降解的漁具和農(nóng)具材料。許多漁具、農(nóng)具的關(guān)鍵部件都依賴高分子材料，并且因應(yīng)用需求對力學(xué)強度要求很高。另一方面，由于使用場景的特殊性，這類材料常直接丟棄在自然環(huán)境中，造成大量塑料垃圾積累。現(xiàn)有策略中，高強度材料往往更難降解，形成明顯矛盾。而研究團隊的策略是在分子內(nèi)部預(yù)置切割工具，既能保持材料的機械強度，又能實現(xiàn)自我降解，非常契合這一需求。研究團隊的論文發(fā)表后，已經(jīng)有一家日本的漁具公司和一家英國的農(nóng)具公司主動聯(lián)系研究團隊，表達了對這一策略的興趣。

第三，是用于構(gòu)建可程序化降解的藥物遞送體系。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，高分子材料常用作藥物載體。理想的載體材料需要在藥物需要發(fā)揮作用的位置和時間點精準(zhǔn)降解，從而控制藥物釋放速率。然而，目前能實現(xiàn)“按預(yù)設(shè)時間表降解”的高分子材料非常有限。

而研究團隊的策略恰好能夠解決這一痛點：通過在聚合物鏈中精準(zhǔn)放置鄰位基團，研究團隊可以以分子設(shè)計的方式精確調(diào)控材料的自降解速率。這意味著藥物載體的降解與藥物釋放曲線可以在設(shè)計之初就被寫入材料結(jié)構(gòu)之中，這是許多現(xiàn)有載體材料所無法實現(xiàn)的特性。

總的來說，盡管目前仍處于概念驗證階段，但這一仿生自降解策略有望在可持續(xù)包裝、漁農(nóng)用品以及精準(zhǔn)藥物遞送等領(lǐng)域提供面向?qū)嶋H應(yīng)用的全新解決思路。

據(jù)了解，顧宇煒的博士研究主要圍繞合成高分子材料展開。在博士階段即將結(jié)束時，顧宇煒開始對生物大分子產(chǎn)生強烈興趣：明明都是高分子，為什么生物大分子在復(fù)雜度和功能性上遠遠超越合成高分子？帶著這個疑問，顧宇煒在博士后階段加入了一個以 DNA 與蛋白質(zhì)為基礎(chǔ)開發(fā)生物大分子材料的團隊，希望從自然界的策略中尋找答案。那段經(jīng)歷讓顧宇煒掌握了多種生物大分子的合成與修飾技術(shù)，也逐漸萌生了向自然學(xué)習(xí)高分子化學(xué)的想法。

2023 年 1 月，顧宇煒加入羅格斯大學(xué)化學(xué)系，開始獨立建組。結(jié)合自身的科研興趣以及博士、博士后階段積累的技能，顧宇煒將課題組的研究方向定位為：在高分子尺度上進行仿生研究（macromolecular biomimicry），向自然界汲取化學(xué)靈感。與許多剛起步的年輕課題組一樣，研究團隊最初也面臨人手不足、設(shè)備尚不完善等現(xiàn)實困難。

但正是在這樣的階段，顧宇煒萌發(fā)了一個新想法：能否借鑒自然界生物大分子的自降解機制，并將其移植到人工合成的高分子材料中？

基于這個想法，顧宇煒設(shè)計了三個不同的分子骨架，希望在合成的高分子鏈上精準(zhǔn)引入不同排布的“鄰位基團”，以探索它們是否能夠像自然界一樣觸發(fā)分子內(nèi)部的自降解。那段時間，顧宇煒邊搭建實驗室邊自己做實驗，在設(shè)備不完善的情況下摸索了兩個月，終于確定了這些分子的基本合成路線，為后續(xù)工作打下了基礎(chǔ)。

本次相關(guān)論文的第一作者殷紹崢同學(xué)在加入課題組時還是一名自費碩士生，本科畢業(yè)于天津大學(xué)化工系，對高分子研究很有興趣。他主動找到顧宇煒，希望能參與課題組的科研工作。于是，顧宇煒將前期得到的一些初步結(jié)果交由他繼續(xù)推進。

很快研究團隊就發(fā)現(xiàn)，正如最初的設(shè)想一樣，這些“鄰位基團”不僅能夠觸發(fā)高分子的自降解，而且通過改變分子骨架來調(diào)整它們的位置，還能精準(zhǔn)調(diào)控降解速率。

隨后，殷紹崢將這一概念成功拓展到一種典型卻難以降解的材料——聚雙環(huán)戊二烯（polydicyclopentadiene）中。在他的工作下，這種原本幾乎不可降解的材料實現(xiàn)了可控的自降解。更進一步，研究團隊在仿生基礎(chǔ)上超越自然，設(shè)計出了降解速度快到幾小時內(nèi)就能完全分解的超快速自降解材料。

在取得材料性質(zhì)上的突破后，研究團隊開始對其分子層面的降解機理產(chǎn)生興趣。研究團隊與計算化學(xué)專家Lu Wang 教授合作，她的團隊幫助顧宇煒等人進行了詳盡的密度泛函理論模擬和分子動力學(xué)模擬。這些計算結(jié)果極大加深了研究團隊對自降解化學(xué)細節(jié)的理解，使整個研究的理論基礎(chǔ)更加堅實。

在投稿過程中，大部分審稿人都對研究團隊的工作給予肯定。但其中一位審稿人提出非常有價值的問題：“自然界的生物大分子不僅能自降解，還能通過折疊結(jié)構(gòu)變化動態(tài)調(diào)控降解速率。你們的方法能否實現(xiàn)類似的調(diào)控？”

這是一個極其重要的點。生物大分子（如蛋白質(zhì)）的折疊結(jié)構(gòu)可以改變鄰位基團與化學(xué)鍵之間的距離，從而動態(tài)調(diào)節(jié)自降解速度——這是一種自然界非常高明的化學(xué)策略。

顧宇煒花了幾天時間思考，意識到：或許可以利用超分子化學(xué)來控制合成高分子的折疊結(jié)構(gòu)，從而動態(tài)調(diào)整鄰位基團的位置。顧宇煒把這一設(shè)想告訴了殷紹崢同學(xué)，他用了大約半年的時間，在實驗中成功實現(xiàn)了這一點。

在最終提交的論文版本中，研究團隊不僅展示了通過分子骨架實現(xiàn)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)控制，還展示了通過鏈折疊進行的動態(tài)調(diào)控機制。可以說，研究團隊在合成高分子中實現(xiàn)的降解調(diào)控策略，已經(jīng)在概念和精妙程度上與自然界的生物大分子自降解機制非常接近了。

圖 | 前：顧宇煒，后：殷紹崢

作為顧宇煒獨立建組后的第一個主要課題，這項研究的整個探索過程承載了太多難忘的回憶。除了實驗和設(shè)計上的不斷嘗試，顧宇煒想分享一個自己至今仍覺得非常有趣、也非常有意義的小故事。

2023 年 4 月，顧宇煒基于對 RNA 自降解機制的理解，設(shè)計了幾個分子骨架，并推測由這些分子衍生出的合成高分子應(yīng)當(dāng)具備自降解特性。設(shè)計完成后，下一步便是尋找合成這些分子的實驗路線。

在查閱文獻時，顧宇煒注意到1994 年英國牛津大學(xué)教授約翰·薩瑟蘭（John Sutherland）課題組發(fā)表的一篇論文中，曾報道過一個與研究團隊設(shè)計高度相關(guān)的關(guān)鍵中間體。然而，那個年代的論文往往非常簡略，缺乏詳細的實驗步驟。盡管顧宇煒嘗試了多次，仍無法在自己的實驗室重現(xiàn)他們當(dāng)年的合成。

Sutherland 教授過去 30 年一直致力于研究 RNA 的前生物（prebiotic）起源，試圖從化學(xué)層面回答：在只有簡單無機物的原始地球上，如此復(fù)雜的 RNA 分子是如何誕生的。這篇 1994 年的論文是他獨立科研早期的一篇并不顯眼的論文，只是為了合成一些結(jié)構(gòu)上與 RNA 相似的小分子。

如今，Sutherland 已成為前生物化學(xué)領(lǐng)域最重要的學(xué)者之一，顧宇煒也猜想他可能早已不記得當(dāng)年工作中的細節(jié)。

但抱著試一試的心態(tài)，顧宇煒還是給他發(fā)了封郵件，詢問是否還能找到當(dāng)年的實驗記錄，或是否能提供一些細節(jié)。原本沒抱期待，卻在幾小時后就收到了Sutherland 教授的回復(fù)。他說自己已經(jīng)不記得具體實驗內(nèi)容，但已經(jīng)把顧宇煒的郵件轉(zhuǎn)發(fā)給了 30 年前真正做這個實驗的執(zhí)行者——喬治·韋弗（George Weaver）博士。

Weaver 博士是 Sutherland 教授獨立建組后招的第一位博士后，如今是英國拉夫堡大學(xué)的一名講師。又過了幾個小時，顧宇煒便收到了 Weaver 博士的郵件。他寫道：雖然當(dāng)年的實驗記錄已經(jīng)找不到了，但他仍然記得關(guān)鍵步驟，并詳細描述了反應(yīng)條件和后處理方法。他還特別強調(diào)了一個細節(jié)：其中一個反應(yīng)物一開始在溶劑中不溶，但在加入堿后就會逐漸溶解。他最后還十分謙虛地表示：畢竟過了三十年，記憶可能有限，很抱歉不能提供更多幫助。

收到這封郵件后，顧宇煒當(dāng)晚便按照他回憶的步驟在實驗室做了實驗。反應(yīng)現(xiàn)象果然與他描述的一模一樣。第二天，研究團隊就順利得到了目標(biāo)分子，而這也成為整個課題真正的起點。

論文發(fā)表之后，顧宇煒特意寫信向Sutherland 教授和 Weaver 博士表達感謝。Sutherland 教授回信說，他完全沒想到自己早年基于興趣研究 RNA 化學(xué)起源的一項小工作，居然在三十年后幫助解決了顧宇煒團隊今天面對的高分子降解問題。他還提到，在前生物化學(xué)領(lǐng)域，許多學(xué)者都曾好奇：自然界為何選擇結(jié)構(gòu)相對不穩(wěn)定的 RNA 作為生命基元？他認為一個重要原因是 RNA 的自降解機制能讓寶貴的核苷酸單體被循環(huán)利用，而這對資源極其匱乏的原始地球來說是一種重要優(yōu)勢。從這個角度看，他認為研究團隊的工作是對生命化學(xué)深入理解之上的一次有趣而自然的仿生。

這段經(jīng)歷對顧宇煒而言非常難忘。Sutherland 教授如今早已因其在前生物化學(xué)領(lǐng)域的卓越貢獻而享譽世界，而科學(xué)卻在此刻讓顧宇煒與三十年前的他——兩個在不同時間節(jié)點剛開始獨立科研生涯的助理教授——產(chǎn)生了跨越時空的“精神聯(lián)系”。

這讓顧宇煒再次深刻體會到基礎(chǔ)科學(xué)的真正價值：許多由純粹好奇心驅(qū)動的研究，或許在當(dāng)下看似不起眼，卻可能在未來某個完全意想不到的場景中，成為解決另一類重大問題的關(guān)鍵一環(huán)。同時，Weaver 博士在三十年后依然能夠清晰回憶起當(dāng)年的實驗細節(jié)。“這一點也令我深受觸動。真正的科學(xué)家對知識的熱忱與投入，不會隨著時間而褪色，而這正是我們這一代科研工作者最應(yīng)該學(xué)習(xí)的品質(zhì)。”顧宇煒表示。

開發(fā)可降解高分子材料無疑是當(dāng)下非常重要的研究方向，畢竟研究團隊的環(huán)境很可能已經(jīng)無法再承受未來幾十年繼續(xù)累積的塑料垃圾。從整體上看，顧宇煒認為任何可行的解決方案都需要經(jīng)歷三個階段：

第一步，是提出一種新的化學(xué)降解機制，并在某一類模型高分子上完成概念驗證。這一步證明了機制可行性，但距離實際應(yīng)用還很遙遠。

第二步，是研究降解后的產(chǎn)物是否安全、是否具有環(huán)境友好性，以及是否能夠進一步回收利用，從而實現(xiàn)閉環(huán)循環(huán)。這一點對真正可持續(xù)的材料體系至關(guān)重要。

第三步，則是在廣泛使用的商用高分子體系中實現(xiàn)這種降解機制，并思考如何在盡可能不影響現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)流程的前提下，將這一策略落地到大規(guī)模材料生產(chǎn)中。

從這個角度來說，研究團隊目前的工作還停留在第一步，未來仍有很長的路要走。

目前，顧宇煒實驗室正在開展兩方面的后續(xù)研究：

一方面，研究團隊正在探索自降解產(chǎn)物是否可以被重復(fù)利用，從而實現(xiàn)材料的閉環(huán)回收；

另一方面，研究團隊希望將這一仿生降解機制拓展到更廣泛使用的高分子體系，尤其是聚氨酯、聚酰胺等在工業(yè)和日常生活中應(yīng)用極為廣泛的材料。

此外，研究團隊也計劃進一步探索這一機制在藥物遞送體系中的潛力。

與此同時，該實驗室始終堅持向自然學(xué)習(xí)高分子化學(xué)的理念，也正在其他重要的高分子科學(xué)問題上尋找大分子仿生的解決方案。

參考資料：

相關(guān)論文https://www.nature.com/articles/s41557-025-02007-3