Forschende haben zufällige Heteropolymere (RHPs) entwickelt, die Enzyme nachahmen und einen neuen Ansatz zur Herstellung synthetischer Materialien mit proteinähnlichen Funktionen bieten, wie eine in Nature veröffentlichte Studie zeigt. Das Team, das sich von den aktiven Zentren von etwa 1.300 Metalloproteinen inspirieren ließ, entwarf diese RHPs mithilfe einer Eintopf-Synthesemethode, wodurch effektiv Enzym-Mimetika entstanden.

Die Forschung befasst sich mit einer seit langem bestehenden Herausforderung bei der synthetischen Nachbildung der komplexen Funktionen von Proteinen. Während Wissenschaftler Fortschritte bei der Nachahmung der primären, sekundären und tertiären Strukturen von Proteinen erzielt haben, ist die Erreichung der chemischen, strukturellen und dynamischen Heterogenität, die ihre Funktion antreibt, weiterhin schwer fassbar. Der Ansatz des Teams konzentriert sich auf die Programmierung der räumlichen und zeitlichen Anordnung von Seitenketten auf segmentaler Ebene innerhalb von Polymeren, die sich chemisch von Proteinen unterscheiden. Dies ermöglicht es den Polymeren, Proteinverhalten zu replizieren, indem die Rotationsfreiheit des Polymerrückgrats genutzt wird, um Einschränkungen in der Monomersequenzspezifität auszugleichen.

Die Forschenden führten Schlüsselmonomere in die RHPs ein, die als Äquivalente zu den funktionellen Resten in Proteinen fungieren. Sie modulierten statistisch die chemischen Eigenschaften von Segmenten, die diese Schlüsselmonomere enthielten, einschließlich der segmentalen Hydrophobizität, um Pseudo-aktive Zentren zu erzeugen. Diese Zentren versorgen die Schlüsselmonomere mit einer Mikroumgebung, die der in Proteinen gefundenen ähnlich ist.

"Indem wir uns auf die segmentale Ebene konzentrierten und die chemischen Eigenschaften statistisch modulierten, konnten wir RHPs erzeugen, die proteinähnliche Mikroumgebungen aufweisen", stellten die Studienautoren fest.

Die Auswirkungen dieser Forschung erstrecken sich auf verschiedene Bereiche, darunter Katalyse, Medikamentenverabreichung und Materialwissenschaften. Die Fähigkeit, synthetische Enzym-Mimetika herzustellen, könnte zur Entwicklung neuer Katalysatoren für industrielle Prozesse, gezielterer Medikamentenverabreichungssysteme und neuartiger Materialien mit verbesserten Funktionalitäten führen.

Die Entwicklung dieser RHPs unterstreicht auch das Potenzial von KI und computergestützter Analyse im Materialdesign. Die Forschenden nutzten Daten aus einer großen Anzahl von Metalloproteinen, um das Design ihrer Polymere zu steuern, und demonstrierten, wie KI die Entdeckung neuer Materialien mit spezifischen Eigenschaften beschleunigen kann. Dieser Ansatz könnte auf das Design anderer funktioneller Materialien angewendet werden und den Weg für eine neue Ära der Materialentdeckung ebnen.

Mit Blick auf die Zukunft planen die Forschenden, das Design von RHPs weiter zu optimieren und ihre Anwendungen in verschiedenen Bereichen zu untersuchen. Sie wollen auch neue Methoden zur Steuerung der räumlichen und zeitlichen Anordnung von Monomeren innerhalb von Polymeren entwickeln, was zu noch ausgefeilteren Enzym-Mimetika führen könnte. Das Team hofft, dass seine Arbeit weitere Forschungen zum Design funktioneller Materialien unter Verwendung bioinspirierter Ansätze anregen wird.