Forschende haben synthetische Polymere entwickelt, die die Funktion von Enzymen nachahmen und einen neuen Ansatz zur Herstellung künstlicher Katalysatoren bieten. Die in Nature veröffentlichte Studie beschreibt detailliert, wie Random Heteropolymere (RHPs) so konzipiert wurden, dass sie die aktiven Zentren von Metalloproteinen nachbilden, was potenziell zu Fortschritten in verschiedenen Bereichen, einschließlich Medizin und Materialwissenschaft, führen könnte.

Das Team, das sich von der Analyse von etwa 1.300 aktiven Zentren von Metalloproteinen leiten ließ, synthetisierte RHPs mit einer Eintopfmethode. Dabei wurden spezifische Monomere eingeführt, die als Äquivalente zu den funktionellen Resten in Proteinen wirken. Durch die statistische Modulation der chemischen Eigenschaften dieser wichtigen monomerhaltigen Segmente, wie z. B. der segmentalen Hydrophobizität, schufen die Forschenden pseudoaktive Zentren, die wichtigen Monomeren proteinähnliche Mikroumgebungen bieten.

"Wir gehen davon aus, dass bei Polymeren mit einer von Proteinen abweichenden Rückgratchemie die Programmierung räumlicher und zeitlicher Projektionen von Seitenketten auf segmentaler Ebene wirksam sein kann, um Proteinverhalten zu replizieren", so die Forschenden in ihrer Veröffentlichung. Sie stellten auch fest, dass die Nutzung der Rotationsfreiheit von Polymeren Einschränkungen in der monomeren Sequenzspezifität kompensieren und ein einheitliches Verhalten auf Ensemble-Ebene erreichen kann.

Die Entwicklung dieser Enzymmimetika ist von Bedeutung, da sie die Herausforderung der synthetischen Replikation der komplexen chemischen, strukturellen und dynamischen Heterogenitäten von Proteinen angeht. Während sich frühere Bemühungen auf die Replikation der primären, sekundären und tertiären Strukturen von Proteinen konzentrierten, blieb die funktionelle Replikation schwer fassbar. Dieser neue Ansatz konzentriert sich auf die Programmierung der räumlichen und zeitlichen Anordnung von Seitenketten auf segmentaler Ebene, wodurch Polymere geschaffen werden können, die Proteinverhalten effektiv nachahmen können.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind weitreichend. Enzymmimetika könnten in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, darunter Arzneimittelverabreichung, Biosensorik und industrielle Katalyse. Sie könnten beispielsweise so konzipiert werden, dass sie spezifische Reaktionen in der chemischen Fertigung katalysieren, was potenziell zu effizienteren und nachhaltigeren Prozessen führt. In der Medizin könnten sie eingesetzt werden, um Krebszellen gezielt zu zerstören oder Medikamente direkt in erkranktes Gewebe zu transportieren.

Der Einsatz von KI spielte eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Optimierung dieser RHPs. Algorithmen des maschinellen Lernens wurden verwendet, um die aktiven Zentren von Metalloproteinen zu analysieren und wichtige Merkmale zu identifizieren, die zu ihrer katalytischen Aktivität beitragen. Diese Informationen wurden dann verwendet, um die Entwicklung der RHPs zu steuern und sicherzustellen, dass sie die notwendigen chemischen und strukturellen Eigenschaften besitzen, um als Enzymmimetika zu fungieren.

Die Forschenden glauben, dass dieser Ansatz einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet der bioinspirierten Materialien darstellt. Durch die Nutzung der Leistungsfähigkeit von KI und fortschrittlichen Synthesetechniken haben sie eine neue Klasse von Materialien geschaffen, die komplexe Funktionen mit hoher Präzision ausführen können. Die nächsten Schritte werden darin bestehen, die Entwicklung dieser RHPs weiter zu optimieren und ihre potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen zu erforschen. Das Team plant auch, den Einsatz verschiedener Arten von Monomeren und Polymeren zu untersuchen, um eine noch größere Bandbreite an Enzymmimetika zu schaffen.