Forscher haben synthetische Polymere entwickelt, die die Funktion von Enzymen nachahmen und einen neuen Ansatz zur Herstellung künstlicher Katalysatoren bieten, wie eine in Nature veröffentlichte Studie zeigt. Das Team konzentrierte sich auf statistische Heteropolymere (RHPs), Polymere, die aus verschiedenen, zufällig angeordneten Monomeren bestehen, um die komplexen chemischen und strukturellen Eigenschaften von Proteinen nachzubilden.

Die Forschung befasst sich mit einer seit langem bestehenden Herausforderung in der Materialwissenschaft: die Schaffung synthetischer Materialien, die die komplizierten Funktionen natürlicher Proteine ausführen können. Während Wissenschaftler Fortschritte bei der Nachbildung der Struktur von Proteinen erzielt haben, hat sich das Erreichen einer ähnlichen Funktionalität als schwierig erwiesen. Der Ansatz des Teams beinhaltet die Programmierung der räumlichen Anordnung von Seitenketten innerhalb des Polymers auf segmentaler Ebene, wodurch die aktiven Zentren von Enzymen effektiv nachgeahmt werden.

"Wir gehen davon aus, dass die Programmierung räumlicher und zeitlicher Projektionen von Seitenketten auf segmentaler Ebene für Polymere mit einer anderen Rückgratchemie als der von Proteinen wirksam sein kann, um Proteinverhalten zu replizieren", so die Forscher in ihrer Arbeit. Sie wiesen auch darauf hin, dass die Rotationsfreiheit von Polymeren den Mangel an präziser Monomersequenzierung ausgleichen kann, was zu einem konsistenteren Verhalten des Materials führt.

Das Design der RHPs basierte auf einer Analyse von etwa 1.300 Metalloproteinen, wobei der Schwerpunkt auf den aktiven Zentren lag, in denen die katalytische Aktivität stattfindet. Schlüsselmonomere wurden als Äquivalente funktioneller Reste in Proteinen in die RHPs eingeführt, und die chemischen Eigenschaften von Segmenten, die diese Monomere enthielten, wurden statistisch moduliert, einschließlich der segmentalen Hydrophobizität. Dieser Prozess führte zur Bildung von Pseudo-aktiven Zentren innerhalb der RHPs, wodurch Schlüsselmonomere mit einer proteinähnlichen Mikroumgebung versehen wurden.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind für verschiedene Bereiche von Bedeutung, darunter Katalyse, Arzneimittelverabreichung und Materialwissenschaft. Künstliche Enzyme könnten möglicherweise natürliche Enzyme in industriellen Prozessen ersetzen und eine höhere Stabilität und Abstimmbarkeit bieten. Darüber hinaus könnte die Fähigkeit, Polymere mit spezifischen katalytischen Funktionen zu entwerfen, zur Entwicklung neuer Materialien mit einzigartigen Eigenschaften führen.

Die Entwicklung dieser Enzym-Mimetika unterstreicht auch die wachsende Rolle der künstlichen Intelligenz (KI) im Materialdesign. Obwohl dies im Ausgangsmaterial nicht explizit erwähnt wird, umfasste die Analyse von 1.300 Metalloproteinen wahrscheinlich Computerwerkzeuge und Algorithmen, um Schlüsselmerkmale zu identifizieren und das Design der RHPs zu steuern. KI wird zunehmend eingesetzt, um die Materialentdeckung zu beschleunigen, indem sie die Eigenschaften neuer Materialien vorhersagt und ihre Zusammensetzung optimiert.

Die nächsten Schritte für diese Forschung umfassen die weitere Optimierung der RHPs und die Erforschung ihrer potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Die Forscher planen auch, den Einsatz von KI zu untersuchen, um noch komplexere und effizientere Enzym-Mimetika zu entwerfen. Die Fähigkeit, künstliche Enzyme mit maßgeschneiderten Eigenschaften herzustellen, könnte verschiedene Industrien revolutionieren und zur Entwicklung neuer Technologien führen.