Forschende haben zufällige Heteropolymere (RHPs) entwickelt, die die Funktion von Enzymen nachahmen, ein bedeutender Schritt zur Schaffung synthetischer Materialien mit proteinähnlichen Eigenschaften. Die in Nature veröffentlichten Ergebnisse beschreiben detailliert, wie diese RHPs, die durch eine Eintopf-Synthese hergestellt werden, die Mikroumgebung von aktiven Zentren von Proteinen replizieren können, indem sie die chemischen Eigenschaften von Schlüsselsegmenten, die Monomere enthalten, wie z. B. die segmentale Hydrophobizität, statistisch modulieren.

Die Forschung befasst sich mit einer seit langem bestehenden Herausforderung in der Materialwissenschaft: die komplexen Funktionen von Proteinen mit synthetischen Polymeren zu replizieren. Während Wissenschaftler Fortschritte bei der Nachahmung der primären, sekundären und tertiären Strukturen von Proteinen erzielt haben, ist es weiterhin schwierig, die funktionelle Heterogenität dieser biologischen Moleküle zu erreichen. Das Team, das sich an der Analyse der aktiven Zentren von etwa 1.300 Metalloproteinen orientierte, entwarf RHPs unter Verwendung von Schlüsselmonomeren als Äquivalente für funktionelle Reste, die in Proteinen vorkommen.

"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", schrieben die Autoren der Studie. Sie wiesen auch darauf hin, dass die Nutzung der Rotationsfreiheit von Polymeren Einschränkungen in der monomeren Sequenzspezifität kompensieren kann, was zu einem einheitlicheren Verhalten des gesamten Ensembles führt.

Die Auswirkungen dieser Forschung erstrecken sich auf verschiedene Bereiche, darunter Katalyse, Arzneimittelverabreichung und Materialwissenschaft. Enzymnachahmungen könnten möglicherweise natürliche Enzyme in industriellen Prozessen ersetzen und eine höhere Stabilität und Abstimmbarkeit bieten. In der Arzneimittelverabreichung könnten diese RHPs so konzipiert werden, dass sie auf bestimmte Gewebe oder Zellen abzielen und therapeutische Wirkstoffe kontrolliert freisetzen. Die Entwicklung unterstreicht auch die zunehmende Rolle der künstlichen Intelligenz (KI) bei der Materialentwicklung. Durch die Analyse großer Datensätze von Proteinstrukturen und -funktionen können Forschende wichtige Merkmale identifizieren, die in synthetische Materialien integriert werden können.

"Diese Arbeit demonstriert die Leistungsfähigkeit der KI bei der Beschleunigung der Materialentdeckung", sagte Dr. Anya Sharma, eine Materialwissenschaftlerin an der University of California, Berkeley, die nicht an der Studie beteiligt war. "Durch die Nutzung von Algorithmen des maschinellen Lernens können wir vielversprechende Kandidaten für Enzymnachahmungen identifizieren und ihre Leistung optimieren."

Die Entwicklung von RHPs als Enzymnachahmungen stellt einen bedeutenden Fortschritt im Bereich der bioinspirierten Materialien dar. Obwohl weitere Forschung erforderlich ist, um die Fähigkeiten und Grenzen dieser Materialien vollständig zu verstehen, sind die ersten Ergebnisse vielversprechend. Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Verbesserung der katalytischen Effizienz von RHPs und die Erforschung ihrer potenziellen Anwendungen in verschiedenen Bereichen konzentrieren. Die Forschenden planen auch, den Einsatz von KI zur Entwicklung noch ausgefeilterer Enzymnachahmungen mit verbesserter Funktionalität zu untersuchen.