Исследователи разработали случайные гетерополимеры (СГП), имитирующие ферменты, что потенциально может произвести революцию в промышленном катализе и разработке лекарств, согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature. Команда, вдохновленная активными центрами примерно 1300 металлопротеинов, разработала эти СГП с использованием метода однореакторного синтеза, эффективно создавая искусственные ферменты.

Исследование посвящено давней проблеме в материаловедении: воспроизведению сложных функций белков с использованием синтетических материалов. Хотя ученые добились прогресса в имитации структурной иерархии белков, достижение функционального сходства оказалось трудным. Исследователи предполагают, что, тщательно контролируя пространственное и временное расположение боковых цепей в полимерах, они могут воспроизвести поведение белков, даже с химией основной цепи, отличной от таковой у белков.

"Мы вводим ключевые мономеры в качестве эквивалентов функциональных остатков белка и статистически модулируем химические характеристики сегментов, содержащих ключевые мономеры, такие как сегментарная гидрофобность", - заявили исследователи в своей статье. Этот подход позволяет СГП формировать псевдоактивные центры, обеспечивая ключевые мономеры белкоподобным микроокружением. Свобода вращения полимерных цепей помогает компенсировать отсутствие точной последовательности мономеров, обеспечивая единообразное поведение всего ансамбля молекул.

Значение этого исследования велико. Ферменты являются важнейшими катализаторами в широком спектре промышленных процессов, от производства фармацевтических препаратов до синтеза биотоплива. Однако природные ферменты могут быть дороги в производстве и часто требуют определенных условий для оптимального функционирования. Имитаторы ферментов, такие как эти СГП, предлагают потенциально более дешевую и надежную альтернативу.

Разработка этих СГП была основана на анализе активных центров металлопротеинов, которые представляют собой белки, содержащие ионы металлов. Эти ионы металлов часто играют решающую роль в каталитической активности фермента. Понимая химическое окружение вокруг этих ионов металлов, исследователи смогли разработать СГП, которые могли бы воспроизвести это окружение и способствовать аналогичным каталитическим реакциям.

Использование ИИ при анализе огромного количества данных о структурах и функциях белков имело решающее значение для успеха этого проекта. Алгоритмы ИИ могут выявлять закономерности и взаимосвязи, которые было бы трудно или невозможно обнаружить людям, ускоряя процесс проектирования. Это подчеркивает растущую роль ИИ в материаловедении и открытии лекарств.

"Использование свободы вращения полимера может смягчить недостатки в специфичности мономерной последовательности и обеспечить единообразие поведения на уровне ансамбля", - отметили исследователи, подчеркивая важность динамики полимера в достижении ферментоподобного поведения.

Разработка этих имитаторов ферментов представляет собой значительный шаг вперед в области биовдохновленных материалов. Хотя необходимы дальнейшие исследования для оптимизации их производительности и изучения их полного потенциала, эти СГП многообещающи для широкого спектра применений, от промышленного катализа до восстановления окружающей среды. Следующие шаги включают тестирование этих СГП в различных каталитических реакциях и изучение их потенциала для использования в доставке лекарств и других биомедицинских приложениях.