美国科学基金项目：利用异质性了解催化和癌症的起源

莱斯大学化学家Anatoly Kolomeisky因研究化学和生物过程中异质性的作用而获得了国家科学基金会奖。

　　

莱斯大学化学家Anatoly Kolomeisky因研究异质性如何影响化学和生物过程而获得美国国家科学基金会颁发的奖项。他的项目目标是开发分析模型，量化异质性在各种现象中的作用，包括催化反应、抗菌肽、早期癌症发展和裂解(描述细胞膜破裂的过程)。

“我们生活在一个异质性的世界里，”化学教授兼系主任科洛梅斯基说。“在化学中，异质性被认为是一种麻烦，它经常被丢弃或平均。这个项目背后的想法是利用异质性作为一种工具，以更好地理解某些化学和生物过程的分子机制。”

其中一个过程是催化作用，它涉及到通过催化剂加速化学反应的速度，催化剂是不被反应消耗的化合物。我们的身体依靠被称为酶的催化剂来执行消化、呼吸、锻炼肌肉、传递神经信号和清除毒素等基本功能。无论是药品、燃料、食品、化妆品等，主要行业都依赖于催化来生成或优化其产品。

催化剂分子的分子结构包括一个具有独特形状的区域，以促进给定的化学反应。这个区域被称为“活性区”。理论上，假定给定催化剂化合物的单个分子是相同的。然而，实际情况并非如此。

Kolomeisky说:“活性位点并不相同，尽管实验学家认为它们是相同的。”“我正在尝试发展理论，计算化学反应的动力学，同时考虑到活性位点的异质性，并希望建立可测量的定量参数来评估给定反应的异质性程度。

“我认为研究催化反应的动力学可以帮助我们理解所涉及的潜在分子机制。”

Kolomeisky还计划探索异质性如何影响抗菌肽的功效，抗菌肽是帮助生物体抵御细菌、真菌、病毒甚至癌症侵袭的分子。

“所有生物都会产生这些肽，”Kolomeisky说。“它们是相对较短的分子，10到50个氨基酸，是有效的抗菌剂。”

抗菌肽是一种可能的解决方案，以增加细菌对抗生素的耐药性，使其成为研究的主要目标。最近的大流行也激发了人们的兴趣。

Kolomeisky说:“与抗生素相比，抗菌肽的最大优势是对它们产生耐药性的可能性要小得多。”“这可能是医学的未来。”

两种或多种肽的组合不仅可能更有效地对抗感染，而且与高剂量的单一肽相比，它们还可能产生更低的毒性。

Kolomeisky说:“如果你服用两种不同的抗菌肽，那么你可能需要更低的浓度，这就提高了毒性降低的可能性。”“细菌也不太可能对多肽组合产生抗药性，而不是对单一多肽产生抗药性。”“我们将开发理论物理化学模型来支持这一观点，即抗菌肽组合效率的提高是由于与微生物膜的协同结合。”

利用机器学习，Kolomeisky将梳理超过1000种已知抗菌肽的文库，并指定最有希望的组合进行进一步研究和未来的抗菌药物开发。

Kolomeisky说:“问题不仅在于哪两种多肽结合，还在于以何种浓度结合。”“两个比一个好，但我们有一个想法，三个比两个更好。”所以，问题是，我们如何量化这一点，原因是什么?”早期癌症发展是另一个生物学过程，量化异质性可以揭示潜在的分子机制，可能有助于开发新的治疗靶点。

Kolomeisky说:“从化学的角度来看，我们想要了解异质性在癌症发生过程中的作用。”“在化学中，观察一种化合物浓度随时间的变化会告诉你正在发生的反应的潜在机制。

“我想把重点放在导致肿瘤形成的过程上，并研究以下问题:在正常组织中，相同类型的细胞并不相同，尽管它们可能看起来很相似。这种异质性意味着它们会有轻微不同的特性，从而影响癌症的发展。

“我希望研究癌症发生或进展的时间演变将教会我们一些关于这些早期阶段细胞水平上发生的事情。我们正在尝试开发网络模型，我们假设每个细胞都是网络中的一个节点，系统中的变化与网络中的变化相对应。使用这种网络模型，我们可以更好地考虑细胞异质性在癌症进展中的作用。”第四个项目领域涉及裂解，即细菌细胞膜的分解，在这种情况下，是由称为噬菌体的病毒引起的。

“噬菌体刺激细菌产生一种特定的蛋白质，在这种情况下，我们想用过量的磷脂，”科洛梅斯基说。“固定蛋白在细胞膜上积累，超过一定的阈值，细胞膜就会破裂。”裂解在反应时间分布上表现出异常低的非均质性，这与预期的反应速率相矛盾。

Kolomeisky说:“我们想要了解这些过程的机制和动力学，因为实验测量发现膜破裂发生在非常窄的时间分布内。”“从噬菌体进入细胞的时间零点到细菌细胞破裂之前的时间，反应时间的分布比你预期的要窄得多。”

除了研究，这个项目还包括教学部分。

他说:“该项目将为学生和博士后研究人员提供多学科培训的机会，因为这项工作涉及化学、物理、生物、计算机科学和应用数学。”“我们还计划接待来访的高中生，促进代表性不足的群体参与STEM教育。”