Исследователи разработали синтетические полимеры, имитирующие функцию ферментов, что потенциально может произвести революцию в промышленном катализе и разработке лекарств. В исследовании, опубликованном в журнале Nature, подробно описывается, как случайные гетерополимеры (СГП) были разработаны для воспроизведения активных центров металлопротеинов, достигая ферментативной активности без опоры на сложную структуру природных белков.

Команда, руководствуясь анализом примерно 1300 активных центров металлопротеинов, создала СГП посредством однореакторного синтеза, метода, который упрощает процесс создания. Ключевые мономеры, действующие как эквиваленты функциональных остатков в белках, были статистически модулированы для контроля химических характеристик, таких как сегментарная гидрофобность. Эта модуляция позволила СГП формировать псевдоактивные центры, обеспечивая ключевые мономеры белкоподобным микроокружением.

"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 публикации. Они далее объяснили, что свобода вращения полимерных цепей помогает преодолеть ограничения в специфичности последовательности мономеров, что приводит к согласованному поведению во всем ансамбле полимеров.

Разработка этих имитаторов ферментов имеет значительные последствия для различных областей. Традиционная инженерия ферментов часто ограничена сложностью структуры белка и трудностью модификации активных центров. СГП предлагают более гибкий и потенциально более масштабируемый подход. Это может привести к созданию катализаторов, адаптированных для конкретных промышленных процессов, сокращению отходов и энергопотребления. В разработке лекарств имитаторы ферментов могут быть использованы для нацеливания на белки, связанные с болезнями, или для более эффективного синтеза сложных молекул лекарств.

Разработка этих СГП использует принципы ИИ и машинного обучения. Анализируя большой набор данных активных центров металлопротеинов, исследователи выявили ключевые особенности и взаимосвязи, которые затем были включены в конструкцию синтетических полимеров. Этот подход, основанный на данных, подчеркивает растущую роль ИИ в материаловедении и биотехнологии. "Использование свободы вращения полимера может смягчить недостатки в специфичности мономерной последовательности и обеспечить однородность поведения на уровне ансамбля", - отмечается в исследовании, что указывает на важность понимания динамики полимера с помощью вычислительного моделирования.

Однако проблемы остаются. Хотя СГП демонстрируют ферментативную активность, их эффективность и специфичность могут еще не соответствовать таковым у природных ферментов. Необходимы дальнейшие исследования для оптимизации конструкции этих полимеров и изучения их потенциальных применений в различных контекстах. Команда планирует исследовать методы улучшения каталитической активности СГП и расширения диапазона реакций, которые они могут катализировать. Они также изучают использование ИИ для прогнозирования свойств различных конструкций СГП, ускоряя процесс разработки.

Создание случайных гетерополимеров в качестве имитаторов ферментов представляет собой значительный шаг вперед в биовдохновленном материаловедении. Объединяя знания из инженерии белков, химии полимеров и искусственного интеллекта, исследователи прокладывают путь к новому поколению синтетических катализаторов, способных преобразовать отрасли и улучшить здоровье человека.