16岁的研究助理开发了预防癌症的新算法

一项新的理论表明，突变几乎没有直接的方式在细胞中建立自己并导致肿瘤

对许多研究人员来说，预防癌症的道路是漫长而艰难的，但莱斯大学(Rice University)科学家最近的一项研究表明，可能有捷径。

莱斯大学的科学家Anatoly Kolomeisky、博士后研究员Hamid Teimouri和研究助理Cade Spaulding正在开发一个理论框架，该框架将解释几种基因突变导致的癌症如何更容易被识别和预防。

莱斯大学实验室的一篇新论文展示了如何在肿瘤形成之前增加识别致癌突变的几率。

它通过检测和忽略那些对细胞突变的固定没有显著贡献的转化途径来做到这一点，这些细胞后来变成了肿瘤。

这项研究于2022年5月13日发表在《生物物理杂志》上，详细分析了与多种癌症相关的细胞转化途径的有效能量格局。缩小最可能引发癌症的路径数量的能力，可以帮助我们制定策略，在癌症开始之前就打断这一过程。

“从某种意义上说，癌症是个倒霉的故事，”化学及化学与生物分子工程教授Hamid Teimouri说。“我们认为，我们可以通过寻找通常导致癌症的低概率突变集合来降低这种坏运气的概率。根据癌症的类型，这可能是2到10个突变。”

计算控制生物分子系统相互作用的有效能量可能有助于预测它们将如何表现。该理论被广泛用于预测蛋白质如何折叠，基于其组成原子的序列及其相互作用。

莱斯大学的团队正在将同样的想法应用于细胞中起作用的癌症起始途径，但有时包括人体保护措施无法检测到的突变。当两个或两个以上的突变固定在一个细胞中，它们就会在细胞分裂和肿瘤发展时继续发生。

莱斯大学(Rice University)开发的一种算法可以识别并忽略那些对细胞内突变固定作用不大的过渡途径，这些细胞会继续形成肿瘤。

Hamid Teimouri说，根据他们的计算，几率倾向于最主要的途径，即那些携带突变而消耗能量最少的途径。

他解释说:“我们不是去研究所有可能的化学反应，而是找出少数可能需要研究的化学反应。在我们看来，大多数参与癌症起始的组织都试图尽可能地同质。这一规则是一种减少异质性的途径，总是通向肿瘤形成的最快途径。”

大量可能的途径似乎使缩小它们的范围成为一个棘手的问题。Teimouri说:“但事实证明，利用我们的化学直觉和建立一个有效的自由能环境有助于我们计算在这个过程中突变可能在细胞中的哪个位置固定下来。”

该团队通过最初专注于只涉及两种突变的路径来简化计算，当固定后，这些突变会引发肿瘤。Teimouri说，涉及更多突变的机制将使计算复杂化，但过程仍然是一样的。

Cade Spaulding在Teimouri的指导下创造了大大简化计算的算法。这位访问研究助理第一次见到Teimouri时只有12岁，他向Teimouri寻求指导。他提前两年从休斯顿的一所高中毕业，去年16岁时加入了莱斯实验室，今年秋天将进入圣安东尼奥的三一大学(Trinity University)。

“尽管Cade还很年轻，但他在计算机编程和实现复杂算法方面有着杰出的能力，”Teimouri说。“他提出了最有效的蒙特卡洛模拟来验证我们的理论，其中系统的大小可以涉及多达10亿个细胞。”

这个项目结合了化学、物理和生物，符合他的兴趣，以及他的计算机编程技能。

在这项研究之前，莱斯大学实验室在2019年发表了一篇论文，其中模拟了随机(随机)过程，以了解为什么一些癌细胞会克服身体的防御系统，并引发疾病的传播。

但是，了解这些细胞最初是如何发生癌变的，可以帮助阻止它们发生癌变，Kolomeisky说。他说:“这对个性化医疗具有启示意义。如果组织测试可以发现突变，我们的框架可能会告诉你，你是否可能患上肿瘤，以及你是否需要更频繁的检查。我认为这个强大的框架可以成为预防的工具。”

“Optimal pathways control fixation of multiple mutations during cancer initiation” by Hamid Teimouri, Cade Spaulding and Anatoly B. Kolomeisky, 13 May 2022, Biophysical Journal.
DOI: 10.1016/j.bpj.2022.05.011