طور باحثون بوليمرات اصطناعية تحاكي وظيفة الإنزيمات، مما قد يحدث ثورة في التحفيز الصناعي وتطوير الأدوية. وتفصل الدراسة، التي نُشرت في مجلة "Nature"، كيف تم تصميم بوليمرات غير متجانسة عشوائية (RHPs) لتكرار المواقع النشطة للبروتينات المعدنية، وتحقيق نشاط شبيه بالإنزيم دون الاعتماد على التركيب المعقد للبروتينات الطبيعية.

قام الفريق، مسترشدًا بتحليل ما يقرب من 1300 موقع نشط للبروتينات المعدنية، بإنشاء RHPs من خلال عملية تصنيع "وعاء واحد"، وهي طريقة تبسط عملية الإنشاء. تم تعديل المونومرات الرئيسية، التي تعمل كمكافئات للبقايا الوظيفية في البروتينات، إحصائيًا للتحكم في الخصائص الكيميائية مثل كراهية الماء القطعية. سمح هذا التعديل لـ RHPs بتشكيل مواقع نشطة زائفة، مما يوفر مونومرات رئيسية ببيئات دقيقة شبيهة بالبروتين.

"نقترح أنه بالنسبة للبوليمرات ذات الكيمياء الهيكلية المختلفة عن تلك الموجودة في البروتينات، فإن برمجة الإسقاطات المكانية والزمانية للسلاسل الجانبية على المستوى القطعي يمكن أن تكون فعالة في تكرار سلوكيات البروتين"، كما ذكر الباحثون في منشورهم. وأوضحوا كذلك أن حرية الدوران لسلاسل البوليمر تساعد في التغلب على القيود المفروضة على خصوصية تسلسل المونومر، مما يؤدي إلى سلوك ثابت عبر مجموعة البوليمرات.

إن تطوير هذه المحاكيات الإنزيمية له آثار كبيرة على مختلف المجالات. غالبًا ما يكون هندسة الإنزيمات التقليدية محدودة بسبب تعقيد بنية البروتين وصعوبة تعديل المواقع النشطة. تقدم RHPs نهجًا أكثر مرونة وربما أكثر قابلية للتطوير. يمكن أن يؤدي ذلك إلى إنشاء محفزات مصممة خصيصًا للعمليات الصناعية المحددة، مما يقلل من النفايات واستهلاك الطاقة. في مجال تطوير الأدوية، يمكن استخدام المحاكيات الإنزيمية لاستهداف البروتينات المرتبطة بالأمراض أو لتجميع جزيئات الأدوية المعقدة بكفاءة أكبر.

يعتمد تصميم RHPs على مبادئ الذكاء الاصطناعي والتعلم الآلي. من خلال تحليل مجموعة بيانات كبيرة من المواقع النشطة للبروتينات المعدنية، حدد الباحثون الميزات والعلاقات الرئيسية التي تم دمجها بعد ذلك في تصميم البوليمرات الاصطناعية. يسلط هذا النهج القائم على البيانات الضوء على الدور المتزايد للذكاء الاصطناعي في علم المواد والتكنولوجيا الحيوية. "إن الاستفادة من حرية الدوران للبوليمر يمكن أن تخفف من أوجه القصور في خصوصية تسلسل المونومر وتحقق توحيد السلوك على مستوى المجموعة"، كما أشارت الدراسة، مما يدل على أهمية فهم ديناميكيات البوليمر من خلال النمذجة الحسابية.

ومع ذلك، لا تزال هناك تحديات. في حين أن RHPs تُظهر نشاطًا شبيهًا بالإنزيم، إلا أن كفاءتها وخصوصيتها قد لا تزال لا تتطابق مع تلك الخاصة بالإنزيمات الطبيعية. هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحسين تصميم هذه البوليمرات واستكشاف تطبيقاتها المحتملة في سياقات مختلفة. يخطط الفريق للتحقيق في طرق لتحسين النشاط التحفيزي لـ RHPs وتوسيع نطاق التفاعلات التي يمكن أن تحفزها. كما أنهم يستكشفون استخدام الذكاء الاصطناعي للتنبؤ بخصائص تصميمات RHP المختلفة، وتسريع عملية التطوير.

يمثل إنشاء بوليمرات غير متجانسة عشوائية كمحاكيات للإنزيمات خطوة مهمة إلى الأمام في علم المواد المستوحى من علم الأحياء. من خلال الجمع بين رؤى من هندسة البروتين وكيمياء البوليمرات والذكاء الاصطناعي، يمهد الباحثون الطريق لجيل جديد من المحفزات الاصطناعية التي لديها القدرة على تحويل الصناعات وتحسين صحة الإنسان.