尽管相对较新，但合成聚合物（也称为塑料）是按体积生产最广泛的材料之一。聚合物设计的大多数发展都是由对某些特性和功能的需求驱动的；然而，它们与环境的相容性只被狭隘地考虑过——主要是在开发与生物过程相互作用的生物材料作为生物医学应用的一部分时被考虑。在过去的二十年里，随着商品塑料在环境中的积累，人们呼吁更加关注材料的生命周期。设计下一代塑料的整体方法应该使我们能够利用科学家的纳米科学知识，并避免对环境产生负面影响。由于没有时间对每一个聚合物参数进行实验测试，我们必须为设计下一代聚合物制定有效的指导方针。一个简单的解决方案是复制已经证明成功的方法：蛋白质是多种多样的、天然存在的氨基酸单体聚合物，生物体液中含有此类蛋白质的复杂混合物。因此，大自然为相容聚合物的混合物提供了蓝图，我们只需要确定要模仿它们的哪些演化特性以及如何模仿。鉴于此，加州大学伯克利分校Ting Xu等研究人员着手开发一个框架，用于创建合成聚合物群体，模拟生物流体中存在的蛋白质的复杂混合物的特性，并与之兼容。研究人员从名为UniProt的数据库中的近 60,000 种蛋白质中提取了 50 个氨基酸片段的序列，并根据氨基酸的疏水性和电荷等特性将其翻译成包含4种合成单体的序列。研究人员使用这种蛋白质序列信息来识别每种蛋白质都遵守的共同“规则”。通过将不同蛋白质片段的特征汇集在一张图表中，一张设计图显示了化学特征的范围和片段水平上的序列排列。为了实现设计图中概述的特征，研究人员使用四种合成单体生成合成聚合物群，称为随机杂聚物（RHPs）。RHPs作为整体合成，其单体序列是随机的，但在群体水平上对目标化学特征进行统计控制。生成这样的集合比设计与蛋白质序列中的化学信息匹配的单个链更有效。图|RHP/蛋白质-PCA空间重叠决定了它们的相互作用图|RHPs提供具有确定范围的节段疏水性的不同区段以调节瞬时分子间相互作用研究人员观察到设计图中所示的RHP和蛋白质集合的重叠程度与RHP与其他蛋白质“融合”的能力之间存在直接相关性。作为证明，研究人员开发了胞浆（细胞内流体）合成类似物的RHP溶液，该溶液可以在单链水平和整体上支持多种生物功能。将设计的聚合物与生物成分连接起来的能力提高了创造混合生物-非生物材料的可能性。信息驱动的设计方法（例如研究人员在此使用的方法）可以从根本上改变生物材料的设计方式。结合在调节聚合物可降解性和可回收性方面取得的进展，预测塑料可能是有价值且不会破坏环境的材料。从根本上说，了解到设计材料群是一种比精确的逐分子方法更有效的方法来确保系统兼容性。从已建立的系统（例如天然存在的蛋白质）中提取信息是使得能够梳理出创建生物相容性聚合物的正确标准的最简单捷径。RHP种群链之间的单体序列存在固有变异，事实上该实验证实 RHP 在单链水平上表现出混合行为。由于目前无法对单个杂聚物链进行测序，因此尚未发现变异的影响。除了作为群体成员之外，蛋白质还具有自己的各种功能。未来可以探索通过收集蛋白质序列信息可以在合成聚合物中实现多少其他作用。最终，是否可以利用杂聚物群体的多样性来复制某些生物操作还有待观察。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
