Forscher haben zufällige Heteropolymere (RHPs) entwickelt, die Enzyme nachahmen und einen neuen Ansatz für synthetische 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.

Die Forscher führten spezifische Monomere in die Polymere ein, die als Äquivalente zu den funktionellen Resten in Proteinen fungieren. Durch die statistische Anpassung der chemischen Eigenschaften von Segmenten, die diese Schlüsselmonomere enthalten, wie z. B. die segmentale Hydrophobizität, schuf das Team Pseudo-aktive Zentren. Diese Zentren versorgen die Schlüsselmonomere mit einer Mikroumgebung, die der in Proteinen gefundenen ähnelt, wodurch sie enzymähnliche Funktionen ausführen können.

"Wir gehen davon aus, dass die Programmierung räumlicher und zeitlicher Projektionen von Seitenketten auf segmentaler Ebene für Polymere mit einer von Proteinen abweichenden Rückgratchemie wirksam sein kann, um Proteinverhalten zu replizieren", so die Autoren der Studie. Sie stellten auch fest, dass die Rotationsfreiheit der Polymerketten dazu beiträgt, Einschränkungen in der Monomersequenzspezifität zu überwinden, was zu einem konsistenten Verhalten über das gesamte Polymerensemble führt.

Die Entwicklung begegnet einer langjährigen Herausforderung bei der synthetischen Replikation von Proteinfunktionen. Während sich frühere Bemühungen auf die Nachahmung der primären, sekundären und tertiären Strukturen von Proteinen konzentrierten, blieb das Erreichen der für die Proteinfunktion entscheidenden chemischen, strukturellen und dynamischen Heterogenität schwierig. Dieser neue Ansatz konzentriert sich auf die Programmierung der räumlichen und zeitlichen Anordnung von Seitenketten auf segmentaler Ebene und bietet eine andere Strategie, um proteinähnliches Verhalten in synthetischen Polymeren zu erzielen.

Die Auswirkungen dieser Forschung erstrecken sich auf verschiedene Bereiche, darunter Katalyse, Arzneimittelverabreichung und Materialwissenschaft. Enzymnachahmer könnten möglicherweise natürliche Enzyme in industriellen Prozessen ersetzen und eine höhere Stabilität und Anpassbarkeit bieten. In der Arzneimittelverabreichung könnten diese Polymere so konzipiert werden, dass sie auf bestimmte Zellen oder Gewebe abzielen und Arzneimittel kontrolliert freisetzen. Darüber hinaus könnte die Fähigkeit, Materialien mit proteinähnlichen Funktionen herzustellen, zur Entwicklung neuer Arten von Sensoren, Aktuatoren und anderen fortschrittlichen Materialien führen.

Die Forscher glauben, dass dieser Ansatz den Weg für eine neue Generation bioinspirierter Materialien mit verbesserter Funktionalität und Vielseitigkeit ebnen könnte. Zukünftige Forschung wird sich auf die Optimierung des Designs dieser RHPs und die Erforschung ihrer potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen konzentrieren. Das Team plant auch, den Einsatz von KI und maschinellem Lernen zu untersuchen, um den Designprozess weiter zu verfeinern und das Verhalten dieser komplexen Polymere vorherzusagen.