Согласно исследованию, опубликованному в журнале Nature, исследователи разработали синтетические полимеры, имитирующие функцию ферментов, что потенциально может произвести революцию в промышленном катализе и разработке лекарств. Команда сосредоточилась на создании случайных гетерополимеров (СГП), способных воспроизводить активные центры металлопротеинов, которые представляют собой белки, содержащие ионы металлов, играющие решающую роль в биологических процессах.

Исследование посвящено давней проблеме в материаловедении: воспроизведению сложных функций белков с использованием синтетических материалов. Хотя ученые добились прогресса в имитации структурной иерархии белков, достижение аналогичной функциональной сложности оставалось труднодостижимым. Подход команды заключался в разработке СГП с определенными химическими характеристиками, основанных на анализе более 1300 активных центров металлопротеинов. Они ввели ключевые мономеры, действующие как эквиваленты функциональных аминокислотных остатков в белках, и статистически модулировали химические свойства сегментов, содержащих эти мономеры, такие как сегментная гидрофобность, или водоотталкивающие свойства.

"Мы предполагаем, что для полимеров с химией основной цепи, отличной от химии белков, программирование пространственных и временных проекций боковых цепей на сегментном уровне может быть эффективным для воспроизведения поведения белков", — заявили исследователи в своей статье. Полученные СГП образуют псевдоактивные центры, обеспечивая ключевые мономеры белкоподобным микроокружением, позволяющим им выполнять каталитические функции.

Значение этой разработки заключается в ее потенциале преодоления ограничений, связанных с природными ферментами. Природные ферменты часто дороги в производстве, чувствительны к условиям окружающей среды и их трудно модифицировать для конкретных применений. С другой стороны, синтетические имитаторы ферментов можно разрабатывать и синтезировать легче, они часто более устойчивы и могут быть адаптированы к конкретным потребностям.

Конструкция этих СГП использует свободу вращения полимеров, чтобы компенсировать отсутствие точной последовательности мономеров, обнаруженной в белках. Это позволяет создавать материалы с однородным поведением на уровне ансамбля даже без идеального контроля последовательности. Исследователи использовали метод однореакторного синтеза, упрощающий процесс производства и делающий его более масштабируемым.

Последствия этого исследования распространяются на различные области. В промышленном катализе СГП могут заменить или дополнить традиционные металлические катализаторы, что приведет к более эффективным и устойчивым химическим процессам. В разработке лекарств их можно использовать для создания новых терапевтических агентов или систем доставки лекарств. Разработка также подчеркивает растущую роль искусственного интеллекта (ИИ) в материаловедении. Анализ активных центров металлопротеинов, который руководил разработкой СГП, включал использование вычислительных инструментов и баз данных, демонстрируя, как ИИ может ускорить открытие новых материалов.

Заглядывая вперед, исследователи планируют и дальше совершенствовать конструкцию СГП и изучать их применение в различных областях. Они также стремятся разработать управляемые ИИ методы прогнозирования свойств СГП, которые могли бы еще больше ускорить процесс открытия. Способность создавать синтетические имитаторы ферментов с заданными свойствами открывает новые возможности для решения задач в различных областях, от энергетики и окружающей среды до медицины и производства.