盡管相對(duì)較新，但合成聚合物（也稱(chēng)為塑料）是按體積生產(chǎn)最廣泛的材料之一。聚合物設(shè)計(jì)的大多數(shù)發(fā)展都是由對(duì)某些特性和功能的需求驅(qū)動(dòng)的；然而，它們與環(huán)境的相容性只被狹隘地考慮過(guò)——主要是在開(kāi)發(fā)與生物過(guò)程相互作用的生物材料作為生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的一部分時(shí)被考慮。在過(guò)去的二十年里，隨著商品塑料在環(huán)境中的積累，人們呼吁更加關(guān)注材料的生命周期。設(shè)計(jì)下一代塑料的整體方法應(yīng)該使我們能夠利用科學(xué)家的納米科學(xué)知識(shí)，并避免對(duì)環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響。由于沒(méi)有時(shí)間對(duì)每一個(gè)聚合物參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，我們必須為設(shè)計(jì)下一代聚合物制定有效的指導(dǎo)方針。一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案是復(fù)制已經(jīng)證明成功的方法：蛋白質(zhì)是多種多樣的、天然存在的氨基酸單體聚合物，生物體液中含有此類(lèi)蛋白質(zhì)的復(fù)雜混合物。因此，大自然為相容聚合物的混合物提供了藍(lán)圖，我們只需要確定要模仿它們的哪些演化特性以及如何模仿。鑒于此，加州大學(xué)伯克利分校Ting Xu等研究人員著手開(kāi)發(fā)一個(gè)框架，用于創(chuàng)建合成聚合物群體，模擬生物流體中存在的蛋白質(zhì)的復(fù)雜混合物的特性，并與之兼容。研究人員從名為UniProt的數(shù)據(jù)庫(kù)中的近 60,000 種蛋白質(zhì)中提取了 50 個(gè)氨基酸片段的序列，并根據(jù)氨基酸的疏水性和電荷等特性將其翻譯成包含4種合成單體的序列。研究人員使用這種蛋白質(zhì)序列信息來(lái)識(shí)別每種蛋白質(zhì)都遵守的共同“規(guī)則”。通過(guò)將不同蛋白質(zhì)片段的特征匯集在一張圖表中，一張?jiān)O(shè)計(jì)圖顯示了化學(xué)特征的范圍和片段水平上的序列排列。圖|基于種群的設(shè)計(jì)，以模仿蛋白質(zhì)的天然環(huán)境為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)圖中概述的特征，研究人員使用四種合成單體生成合成聚合物群，稱(chēng)為隨機(jī)雜聚物（RHPs）。RHPs作為整體合成，其單體序列是隨機(jī)的，但在群體水平上對(duì)目標(biāo)化學(xué)特征進(jìn)行統(tǒng)計(jì)控制。生成這樣的集合比設(shè)計(jì)與蛋白質(zhì)序列中的化學(xué)信息匹配的單個(gè)鏈更有效。圖|RHP/蛋白質(zhì)-PCA空間重疊決定了它們的相互作用圖|RHPs提供具有確定范圍的節(jié)段疏水性的不同區(qū)段以調(diào)節(jié)瞬時(shí)分子間相互作用研究人員觀察到設(shè)計(jì)圖中所示的RHP和蛋白質(zhì)集合的重疊程度與RHP與其他蛋白質(zhì)“融合”的能力之間存在直接相關(guān)性。作為證明，研究人員開(kāi)發(fā)了胞漿（細(xì)胞內(nèi)流體）合成類(lèi)似物的RHP溶液，該溶液可以在單鏈水平和整體上支持多種生物功能。圖|設(shè)計(jì)RHP集合體作為胞質(zhì)溶膠的合成模擬物將設(shè)計(jì)的聚合物與生物成分連接起來(lái)的能力提高了創(chuàng)造混合生物-非生物材料的可能性。信息驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法（例如研究人員在此使用的方法）可以從根本上改變生物材料的設(shè)計(jì)方式。結(jié)合在調(diào)節(jié)聚合物可降解性和可回收性方面取得的進(jìn)展，預(yù)測(cè)塑料可能是有價(jià)值且不會(huì)破壞環(huán)境的材料。從根本上說(shuō)，了解到設(shè)計(jì)材料群是一種比精確的逐分子方法更有效的方法來(lái)確保系統(tǒng)兼容性。從已建立的系統(tǒng)（例如天然存在的蛋白質(zhì)）中提取信息是使得能夠梳理出創(chuàng)建生物相容性聚合物的正確標(biāo)準(zhǔn)的最簡(jiǎn)單捷徑。RHP種群鏈之間的單體序列存在固有變異，事實(shí)上該實(shí)驗(yàn)證實(shí) RHP 在單鏈水平上表現(xiàn)出混合行為。由于目前無(wú)法對(duì)單個(gè)雜聚物鏈進(jìn)行測(cè)序，因此尚未發(fā)現(xiàn)變異的影響。除了作為群體成員之外，蛋白質(zhì)還具有自己的各種功能。未來(lái)可以探索通過(guò)收集蛋白質(zhì)序列信息可以在合成聚合物中實(shí)現(xiàn)多少其他作用。最終，是否可以利用雜聚物群體的多樣性來(lái)復(fù)制某些生物操作還有待觀察。Ruan, Z., Li, S., Grigoropoulos, A. et al. Population-based heteropolymer design to mimic protein mixtures. Nature 615, 251–258 (2023).https://doi.org/10.1038/s41586-022-05675-0
