Forschende haben zufällige Heteropolymere (RHPs) entwickelt, die Enzyme nachahmen und potenziell die industrielle Katalyse und Arzneimittelentwicklung revolutionieren könnten. Die in Nature veröffentlichte Studie beschreibt detailliert, wie diese synthetischen Polymere, die durch eine Eintopf-Synthese hergestellt werden, die Funktionen von Proteinen replizieren können, indem sie wichtige Monomere strategisch positionieren, um Pseudo-Active Sites zu bilden.

Das Team, inspiriert von der Analyse der Active Sites von etwa 1.300 Metalloproteinen, entwickelte die RHPs, um die chemischen Eigenschaften von Segmenten, die wichtige Monomere enthalten, wie z. B. die segmentale Hydrophobizität, statistisch zu modulieren. Dieser Ansatz ermöglicht es den RHPs, eine proteinähnliche Mikroumgebung für diese Monomere bereitzustellen, wodurch sie als Enzym-Mimetika fungieren 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 in der Arbeit.

Die Herstellung dieser Enzym-Mimetika begegnet einer seit langem bestehenden Herausforderung in der synthetischen Chemie: die komplexen Funktionen von Proteinen mit nicht-proteinartigen Materialien zu replizieren. Während Wissenschaftler Aspekte der Proteinstruktur erfolgreich repliziert haben, blieb das Erreichen funktioneller Ähnlichkeit aufgrund der inhärenten Heterogenität von Proteinen schwer fassbar. Die Forschenden glauben, dass sie durch die Nutzung der Rotationsfreiheit von Polymeren Einschränkungen in der monomeren Sequenzspezifität überwinden und ein einheitliches Verhalten auf Ensemble-Ebene erreichen können.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind weitreichend. Die traditionelle Enzymproduktion ist oft auf biologische Systeme angewiesen, die kostspielig und schwer zu skalieren sein können. RHPs hingegen können in einem Labor synthetisiert werden und potenziell eine effizientere und kostengünstigere Alternative darstellen. Dies könnte zu Fortschritten in verschiedenen Bereichen führen, darunter die industrielle Katalyse, bei der Enzyme verwendet werden, um chemische Reaktionen zu beschleunigen, und die Arzneimittelentwicklung, bei der Enzyme eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Verabreichung von Medikamenten spielen.

Die Entwicklung von RHPs unterstreicht auch die wachsende Rolle der künstlichen Intelligenz (KI) in der Materialwissenschaft. KI-Algorithmen können riesige Datensätze von Proteinstrukturen und -funktionen analysieren, um wichtige Merkmale zu identifizieren, die in synthetischen Materialien repliziert werden können. Dieser datengesteuerte Ansatz beschleunigt den Entdeckungsprozess und ermöglicht es Forschenden, Materialien mit spezifischen Eigenschaften und Funktionen zu entwickeln.

Mit Blick auf die Zukunft planen die Forschenden, das Design von RHPs weiter zu optimieren und ihre potenziellen Anwendungen in verschiedenen Industrien zu erforschen. Sie wollen auch neue KI-Werkzeuge entwickeln, um das Design und die Synthese dieser Materialien zu unterstützen. Das ultimative Ziel ist die Schaffung einer Bibliothek von RHPs, die verwendet werden können, um natürliche Enzyme in einer Vielzahl von Anwendungen zu ersetzen oder zu ergänzen.