Forscher haben synthetische, statistische Heteropolymere (RHPs) entwickelt, die die Funktion von Enzymen nachahmen und einen neuen Ansatz zur Herstellung bioinspirierter Materialien bieten. Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse beschreiben detailliert, wie diese in einer Eintopf-Reaktion synthetisierten RHPs Proteinverhalten replizieren können, indem sie Seitenketten auf segmentaler Ebene strategisch positionieren.

Das Team, das sich bei der Analyse von etwa 1.300 aktiven Zentren von Metalloproteinen orientierte, entwickelte die RHPs so, dass sie als Enzym-Mimetika fungieren. Sie führten spezifische Monomere als Äquivalente funktioneller Reste in Proteinen ein und modulierten statistisch die chemischen Eigenschaften von Segmenten, die diese Schlüsselmonomere enthielten, einschließlich der segmentalen Hydrophobizität. Dieser Prozess führte zur Bildung von Pseudo-aktiven Zentren innerhalb der RHPs, wodurch Schlüsselmonomere eine Mikroumgebung erhielten, die der in Proteinen gefundenen ähnlich ist.

"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 Forscher in ihrer Veröffentlichung. Sie stellten auch fest, dass die Rotationsfreiheit der Polymerketten dazu beiträgt, Einschränkungen der Monomersequenzspezifität zu überwinden, was zu einem einheitlichen Verhalten des gesamten RHP-Ensembles führt.

Die Entwicklung dieser Enzym-Mimetika hat erhebliche Auswirkungen auf verschiedene Bereiche, darunter Katalyse, Arzneimittelverabreichung und Materialwissenschaft. Durch die Herstellung synthetischer Polymere, die ähnliche Funktionen wie natürliche Enzyme ausführen können, können Wissenschaftler potenziell neue Katalysatoren für industrielle Prozesse entwickeln, gezielte Arzneimittelverabreichungssysteme entwickeln und neuartige Materialien mit verbesserten Eigenschaften herstellen.

Das Konzept der Verwendung statistischer Heteropolymere zur Nachahmung der Enzymfunktion beruht auf dem Verständnis, dass die Funktionalität von Proteinen aus ihren komplexen dreidimensionalen Strukturen und der spezifischen Anordnung von Aminosäureresten innerhalb ihrer aktiven Zentren resultiert. Während die synthetische Replikation der präzisen Struktur von Proteinen sich als schwierig erwiesen hat, zeigt diese Forschung, dass es möglich ist, eine ähnliche Funktionalität zu erreichen, indem man die chemischen Eigenschaften von Polymersegmenten sorgfältig kontrolliert.

Die Forscher glauben, dass dieser Ansatz einen leichter zugänglichen Weg zur Herstellung bioinspirierter Materialien mit enzymähnlicher Aktivität bietet. Im Gegensatz zu traditionellen Methoden, die eine präzise Kontrolle der Monomersequenz erfordern, ermöglicht die Eintopf-Synthese von RHPs die Herstellung vielfältiger Bibliotheken von Polymeren mit unterschiedlichen chemischen Eigenschaften. Dieser kombinatorische Ansatz kann die Entdeckung neuer Enzym-Mimetika mit maßgeschneiderten Funktionalitäten beschleunigen.

Die nächsten Schritte für diese Forschung umfassen die weitere Optimierung des Designs von RHPs, um ihre katalytische Aktivität und Selektivität zu verbessern. Das Team plant auch, das Potenzial dieser Materialien für Anwendungen in Bereichen wie Biosensorik und Umweltsanierung zu untersuchen. Die Fähigkeit, synthetische Polymere herzustellen, die die Funktion von Enzymen nachahmen, eröffnet neue Möglichkeiten zur Bewältigung von Herausforderungen in verschiedenen Bereichen, von der Medizin bis zur Fertigung.