Selon une étude publiée dans Nature, des chercheurs ont mis au point des hétéropolymères aléatoires (HPA) qui imitent les enzymes, ce qui pourrait révolutionner la catalyse industrielle et le développement de médicaments. L'équipe, s'inspirant des sites actifs d'environ 1 300 métalloprotéines, a conçu ces HPA à l'aide d'une méthode de synthèse monotope, créant ainsi des enzymes artificielles.
L'étude aborde un défi de longue date en science des matériaux : reproduire les fonctions complexes des protéines à l'aide de matériaux synthétiques. Bien que les scientifiques aient fait des progrès dans l'imitation de la hiérarchie structurelle des protéines, la réalisation d'une similarité fonctionnelle s'est avérée difficile en raison des hétérogénéités chimiques, structurelles et dynamiques complexes inhérentes aux enzymes naturelles. Les chercheurs proposent qu'en contrôlant soigneusement la disposition spatiale et temporelle des chaînes latérales dans les polymères, ils peuvent reproduire efficacement les comportements des protéines, même avec des chimies de squelette différentes de celles des protéines.
La clé de leur approche réside dans la modulation statistique des caractéristiques chimiques des segments contenant des monomères clés, comme l'hydrophobicité segmentaire. Cela permet aux HPA de former des pseudo-sites actifs, fournissant aux monomères clés un microenvironnement semblable à celui des protéines. « Nous introduisons des monomères clés comme équivalents des résidus fonctionnels des protéines », ont déclaré les chercheurs dans leur article, soulignant la nature biomimétique de leur conception.
Ce développement a des implications importantes pour divers domaines. Les enzymes sont largement utilisées dans les processus industriels, de la production alimentaire à la synthèse de biocarburants. Les imitations d'enzymes synthétiques pourraient offrir des avantages tels qu'une stabilité accrue, des coûts de production plus faibles et la capacité de fonctionner dans des environnements difficiles où les enzymes naturelles se dégraderaient. De plus, la capacité de concevoir des imitations d'enzymes avec des activités catalytiques spécifiques pourrait accélérer la découverte et le développement de médicaments.
Le concept d'utilisation d'hétéropolymères aléatoires pour imiter les enzymes exploite les principes de l'intelligence artificielle, en particulier dans l'analyse de grands ensembles de données de structures protéiques. En analysant les sites actifs de milliers de métalloprotéines, les chercheurs ont pu identifier les caractéristiques clés et les principes de conception qui pourraient être traduits en polymères synthétiques. Cette approche axée sur les données met en évidence le rôle croissant de l'IA dans la science des matériaux, permettant aux chercheurs de découvrir et de concevoir de nouveaux matériaux dotés de propriétés sans précédent.
Cependant, des défis subsistent. Bien que les HPA aient démontré une activité de type enzymatique prometteuse, leur efficacité catalytique n'égale peut-être pas encore celle des enzymes naturelles. Des recherches supplémentaires sont nécessaires pour optimiser la conception et la synthèse des HPA afin d'améliorer leurs performances. De plus, la stabilité à long terme et la biocompatibilité de ces matériaux doivent être soigneusement évaluées avant de pouvoir être largement adoptées dans les applications industrielles ou biomédicales.
Les chercheurs se concentrent maintenant sur l'exploration de différentes combinaisons de monomères et méthodes de synthèse afin d'améliorer davantage l'activité catalytique et la sélectivité des HPA. Ils étudient également le potentiel de l'utilisation de l'IA pour prédire les propriétés des HPA en fonction de leur composition et de leur séquence en monomères, ce qui pourrait accélérer considérablement le processus de conception. Le développement de ces imitations d'enzymes représente une étape importante vers la création de matériaux bio-inspirés dotés de fonctionnalités sur mesure, ouvrant de nouvelles possibilités pour la chimie durable et la conception de matériaux avancés.
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