Forschende haben synthetische Polymere entwickelt, die die Funktion von Enzymen nachahmen und einen neuen Ansatz zur Herstellung künstlicher Katalysatoren bieten. Die in Nature veröffentlichte Studie beschreibt detailliert, wie diese statistischen Heteropolymere (RHPs) so konzipiert wurden, dass sie die aktiven Zentren von Metalloproteinen nachbilden, was potenziell zu Fortschritten in verschiedenen Bereichen, einschließlich Medizin und Materialwissenschaft, führen könnte.

Das Team, das sich an der Analyse von etwa 1.300 aktiven Zentren von Metalloproteinen orientierte, erzeugte RHPs durch eine Eintopf-Synthese, eine Methode, die den Herstellungsprozess vereinfacht. Schlüsselmonomere, die als Äquivalente zu funktionellen Resten in Proteinen fungieren, wurden statistisch moduliert, um die chemischen Eigenschaften von Segmenten, die diese Monomere enthalten, einschließlich der segmentalen Hydrophobizität, zu steuern. Diese Modulation ermöglichte es den RHPs, pseudoaktive Zentren zu bilden, wodurch Schlüsselmonomere mit einer proteinähnlichen Mikroumgebung versehen wurden.

"Wir gehen davon aus, dass für Polymere mit einer von Proteinen abweichenden Rückgratchemie die Programmierung räumlicher und zeitlicher Projektionen von Seitenketten auf segmentaler Ebene wirksam sein kann, um Proteinverhalten zu replizieren", so die Forschenden in ihrer Veröffentlichung. Sie stellten auch fest, dass die Rotationsfreiheit der Polymerketten dazu beiträgt, Einschränkungen in der Monomersequenzspezifität zu überwinden, wodurch ein einheitliches Verhalten über das gesamte Polymerensemble erreicht wird.

Die Entwicklung dieser Enzym-Mimetika begegnet einer seit langem bestehenden Herausforderung bei der synthetischen Nachbildung von Proteinfunktionen. Während sich frühere Bemühungen auf die Nachbildung der hierarchischen Struktur von Proteinen, von der Primär- bis zur Tertiärstruktur, konzentrierten, blieb das Erreichen der für komplexe Funktionen notwendigen chemischen, strukturellen und dynamischen Heterogenität schwer fassbar. Dieser neue Ansatz konzentriert sich auf die Programmierung der räumlichen Anordnung von Seitenketten, um das Proteinverhalten nachzuahmen.

Die Auswirkungen dieser Forschung sind weitreichend. Enzym-Mimetika könnten potenziell natürliche Enzyme in industriellen Prozessen ersetzen und so eine größere Stabilität und Kontrolle bieten. Sie könnten auch in Arzneimittelverabreichungssystemen, Biosensoren und anderen Anwendungen eingesetzt werden, bei denen eine präzise katalytische Aktivität erforderlich ist.

Das Design dieser RHPs basierte auf der Analyse von Metalloproteinen, d. h. Proteinen, die Metallionen enthalten, die eine entscheidende Rolle für ihre Funktion spielen. Durch das Verständnis der aktiven Zentren dieser Proteine konnten die Forschenden Schlüsselmonomere identifizieren und RHPs entwerfen, die ihre Funktion replizieren konnten. Die statistische Modulation der segmentalen Hydrophobizität war ebenfalls entscheidend, da sie es den Forschenden ermöglichte, die Mikroumgebung um das aktive Zentrum herum fein abzustimmen.

Der Einsatz von KI und maschinellem Lernen wird in der Materialwissenschaft immer üblicher und unterstützt die Entwicklung und Entdeckung neuer Materialien mit spezifischen Eigenschaften. In diesem Fall umfasste die Analyse eines großen Datensatzes von Metalloproteinen wahrscheinlich computergestützte Werkzeuge, um Muster und Beziehungen zu identifizieren, die manuell schwer zu erkennen gewesen wären. Dies unterstreicht die wachsende Rolle der KI bei der Beschleunigung wissenschaftlicher Entdeckungen.

Die nächsten Schritte für diese Forschung umfassen die weitere Optimierung der RHPs und die Erprobung ihrer Leistung in verschiedenen Anwendungen. Die Forschenden planen auch, den Einsatz verschiedener Monomere und Synthesemethoden zu untersuchen, um eine noch größere Bandbreite an Enzym-Mimetika zu schaffen. Das langfristige Ziel ist die Entwicklung einer Bibliothek synthetischer Katalysatoren, die auf spezifische Bedürfnisse zugeschnitten werden können und Chemikern und Ingenieuren ein leistungsstarkes neues Werkzeug bieten.