Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, исследователи разработали синтетические полимеры, имитирующие функцию ферментов, что открывает новый подход к созданию искусственных катализаторов. Команда сосредоточилась на случайных гетерополимерах (СГП), которые представляют собой полимеры, состоящие из различных мономеров, расположенных случайным образом, как на способе воспроизведения сложных химических и структурных свойств белков.

Ученые черпали вдохновение в активных центрах примерно 1300 металлопротеинов для разработки своих СГП. Они использовали метод однореакторного синтеза для создания этих полимеров, включая ключевые мономеры, которые функционируют как эквиваленты функциональных остатков, обнаруженных в белках. Статистически контролируя химические характеристики сегментов, содержащих эти ключевые мономеры, такие как сегментарная гидрофобность, исследователи смогли создать псевдоактивные центры, которые обеспечивают белковое микроокружение.

"Мы предполагаем, что для полимеров с химией основной цепи, отличной от химии белков, программирование пространственных и временных проекций боковых цепей на сегментарном уровне может быть эффективным для воспроизведения поведения белков", - заявили исследователи в своей статье. Они также отметили, что свобода вращения полимеров может компенсировать отсутствие точной последовательности мономеров, что приводит к последовательному поведению всего ансамбля полимеров.

Разработка этих имитаторов ферментов может иметь значительные последствия для различных областей, включая медицину, материаловедение и восстановление окружающей среды. Искусственные ферменты потенциально могут быть использованы для катализа химических реакций в промышленных процессах, разработки новых методов лечения или разложения загрязняющих веществ в окружающей среде.

Исследование подчеркивает растущий интерес к биовдохновленным материалам, которые стремятся воспроизвести сложные функциональные возможности, обнаруженные в биологических системах. В то время как предыдущие усилия были сосредоточены на воспроизведении первичной, вторичной и третичной структур белков, это исследование подчеркивает важность химической, структурной и динамической гетерогенности для достижения белковых функций.

Одной из проблем при создании искусственных ферментов является достижение того же уровня специфичности и эффективности, что и у природных ферментов. Природные ферменты эволюционировали в течение миллионов лет, чтобы точно катализировать определенные реакции. Использование ИИ и машинного обучения становится все более важным в этой области, помогая исследователям разрабатывать и оптимизировать синтетические ферменты с желаемыми свойствами. Алгоритмы ИИ могут анализировать огромные объемы данных о структурах и функциях белков, чтобы выявить ключевые особенности, которые способствуют каталитической активности. Эти особенности затем могут быть включены в конструкцию синтетических полимеров.

Исследователи полагают, что дальнейшее развитие СГП и других имитаторов ферментов может привести к новому поколению катализаторов с улучшенными характеристиками и универсальностью. Будущие исследования, вероятно, будут сосредоточены на улучшении дизайна и синтеза этих полимеров, а также на изучении их потенциальных применений в различных областях. Команда планирует изучить использование методов, управляемых ИИ, для дальнейшего уточнения конструкции СГП и оптимизации их каталитической активности.