Исследователи разработали синтетические полимеры, имитирующие функции ферментов, что открывает новый подход к созданию искусственных катализаторов. В исследовании, опубликованном в Nature, подробно описано, как случайные гетерополимеры (СГП) были разработаны для воспроизведения активных центров металлопротеинов, что потенциально может привести к достижениям в различных областях, включая медицину и материаловедение.

Команда, руководствуясь анализом примерно 1300 активных центров металлопротеинов, синтезировала СГП с использованием одностадийного метода. Это включало введение специфических мономеров, которые действуют как эквиваленты функциональных остатков, обнаруженных в белках. Статистически модулируя химические характеристики этих ключевых сегментов, содержащих мономеры, такие как сегментальная гидрофобность, исследователи создали псевдоактивные центры, которые обеспечивают ключевые мономеры белкоподобным микроокружением.

«Мы предполагаем, что для полимеров с химией основной цепи, отличной от таковой у белков, программирование пространственных и временных проекций боковых цепей на сегментарном уровне может быть эффективным для воспроизведения поведения белков», — заявили исследователи в своей публикации. Они также отметили, что использование свободы вращения полимеров может компенсировать ограничения в специфичности мономерной последовательности и обеспечить единообразное поведение на уровне ансамбля.

Разработка этих имитаторов ферментов имеет большое значение, поскольку решает проблему синтетического воспроизведения сложных химических, структурных и динамических гетерогенностей белков. В то время как предыдущие усилия были сосредоточены на воспроизведении первичной, вторичной и третичной структур белков, достижение функционального воспроизведения оставалось труднодостижимым. Этот новый подход фокусируется на программировании пространственного и временного расположения боковых цепей на сегментарном уровне, что позволяет создавать полимеры, которые могут эффективно имитировать поведение белков.

Последствия этого исследования далеко идущие. Имитаторы ферментов можно использовать в различных областях, включая доставку лекарств, биосенсорику и промышленный катализ. Например, их можно разработать для катализа определенных реакций в химическом производстве, что потенциально приведет к более эффективным и устойчивым процессам. В медицине их можно использовать для нацеливания и уничтожения раковых клеток или для доставки лекарств непосредственно в пораженные ткани.

Использование ИИ сыграло решающую роль в разработке и оптимизации этих СГП. Алгоритмы машинного обучения использовались для анализа активных центров металлопротеинов и выявления ключевых особенностей, которые способствуют их каталитической активности. Эта информация затем использовалась для руководства разработкой СГП, гарантируя, что они обладают необходимыми химическими и структурными свойствами для функционирования в качестве имитаторов ферментов.

Исследователи считают, что этот подход представляет собой значительный шаг вперед в области биовдохновленных материалов. Используя возможности ИИ и передовые методы синтеза, они создали новый класс материалов, которые могут выполнять сложные функции с высокой точностью. Следующие шаги будут включать дальнейшую оптимизацию конструкции этих СГП и изучение их потенциальных применений в различных областях. Команда также планирует изучить использование различных типов мономеров и полимеров для создания еще более широкого спектра имитаторов ферментов.