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发表于 2026-1-15 23:17:10
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自Staudinger提出大分子假说以来，高分子的线性结构已成为高分子科学的经典和范式。在高分子科学飞速发展的今天，人们正跳出传统高分子的认知范畴，争取进一步的发展和突破。他在这个方向做了积极的尝试，另辟蹊径，通过结合生物大分子和合成大分子的设计理念和独特基元，发展具有精密结构的非传统高分子，实现对其化学结构和物理结构的精准控制，以发展相应的功能材料。至今为止，张在Science, Proc. Natl. Acad. Sci. USA, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., ACS Cent. Sci., Adv. Mater., ACS Nano, Mater. Horiz., Macromolecules等国际重要学术期刊上发表论文共126篇，其中98篇为第一或通讯作者，总他引3000余次，参与撰写专著章节六章，申请中国专利五项（获批一项），获批两项美国专利，并多次受邀在国内和国际大会上作邀请报告，于2017年获得日本化学会颁发的Distinguished Lectureship Award，2019年获得国家杰出青年科学基金项目支持。近五年来，以“精密结构高分子”为中心，结合化学方法与生物技术，对高分子的设计、合成和自组装做了深入的研究，取得的工作业绩主要包括：
8 R) ?9 P5 y6 J(1) 建立和发展了非线型拓扑蛋白质的精密合成方法，首次实现蛋白质索烃、套索蛋白质、星形蛋白质等复杂拓扑结构的原核表达制备 (Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 3442; 2017, 56, 15014; 2020, 59, DOI: 10.1002/anie.202005490; 2020, 59, DOI: 10.1002/anie.202006727) }7 d. T* h/ O
高分子化学的四大挑战包括对长度、序列、立体化学以及拓扑结构的精确控制。蛋白质的生物合成可近乎完美地实现对前三者的控制，但其主链结构却是严格线性。人工拓扑蛋白质的设计及合成一直都是巨大的挑战。受天然拓扑蛋白合成路径启发，从 “组装-反应”协同的理念出发，将蛋白质折叠结构作为模板来诱导链缠结结构的形成，巧妙利用肿瘤抑制因子p53的缠结二聚特性和可基因编码的谍反应，首次实现了蛋白质索烃的原核表达制备，并将其拓展到星型蛋白质、活性蛋白质索烃（比如荧光蛋白和二氢叶酸还原酶）、套索蛋白质、蛋白质异质索烃的“精密”生物合成。研究表明，蛋白质索烃明显耐受胰蛋白酶的酶解，并能显著提升索烃环内折叠蛋白的热稳定性、化学稳定性和酶活性，提示了拓扑工程可能是一个无需改变蛋白本身序列就可实现其改性的普适策略，为具有特殊超分子结构的功能蛋白质设计和合成提供了新的思路。, R* D' w+ ?# _5 T
(2) 提出可基因编码的点击化学，发展一系列各具特色的多肽-蛋白质反应对和多肽-多肽偶联体系，为蛋白质的精密化学修饰和蛋白质生物材料的发展提供有力的工具 (Chem. Sci. 2017, 8, 6577; Chem. Commun. 2017, 53, 8830; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 17474；Angew. Chem. Int. Ed. 2019, 58, 11097)
! j7 c7 e( z. W1 ?6 H" x- {新的化学工具对于进一步拓展高分子精密合成方法至关重要。可基因编码的多肽-蛋白反应或多肽-多肽反应是近年兴起的一个热点，是发展蛋白质生物材料的强大工具。张瞄准这一重要研究方向，基于原型谍标签-谍捕手反应（谍反应），设计开发了一系列各具特色的反应对，包括仅通过3个氨基酸突变实现的彼此正交的反应对，超电荷化的、具有无序结构和pH响应的反应性的负谍捕手，氧化还原响应的谍捕手变体，可实现“微痕”偶联的谍订书机酶介导的谍标签和北大标签偶联体系，以及在此基础上发展的可形成机械键的“主动模板”偶联法等。这些多肽-蛋白质反应对工具库完全基于天然氨基酸，反应效率高，且与生理条件兼容，解决了传统的基于氨基酸反应性残基的修饰方法容易引起副反应，而引入非天然氨基酸又常常降低蛋白质产率或致其失活的问题，为拓扑蛋白质及蛋白偶联物的精密合成与材料应用提供了强大的工具。
+ Y% s1 r1 o$ _) g(3) 提出将分子纳米粒子作为精密结构高分子的独特基元，主导了多种巨型分子的结构设计与精密合成，并阐明了立体构型等细微结构区别对大分子组装的影响规律 (Science 2015, 348, 424-428；Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2016, 113, 14195; Macromolecules 2018, 51, 1110; 2019, 52, 2361)4 N' _3 R! K# Z5 r7 p! u/ G! Z
分子纳米粒子是一类具有刚性三维构型和精确结构的分子，其结构稳定而且相对独立。受蛋白质中“结构域”概念的启发，申请人在程正迪院士课题组进行博士和博士后研究期间，提出将分子纳米粒子作为构建精密结构大分子的独特基元，主导设计了多种巨型分子，发展了其模块化合成方法，并系统研究和归纳了其组装规律，在北京大学工作期间，进一步参与发现巨型分子能够在小尺度（< 10 nm）上表现出很强的相互作用，其组装结构对化学结构高度敏感，可展现出包括A15，σ，十二次对称准晶等在内的多种非传统相态，是构建亚十纳米尺度有序结构的理想材料。为实现结构的精准调控，申请人提出可将立体构型作为调控大分子组装的新维度，并合成了完整系列的带有两种反应性基团的[2:6]和[3:5]的T8-POSS所有立体区域异构体及由此衍生的多种精密结构大分子，通过实验绘制其组装相图，阐明不同立体区域异构体之间相结构和相行为的不同规律，并发现不对称Janus星形高分子可展现极小的特征尺寸（< 5nm）。这些工作通过高分子的精密合成，诠释了高结构精度在可控精准组装上的重要意义。 |
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