十大杰出人物：科学界最杰出的新秀

每当我们召集新的“杰出 10 人”班级时， 《大众科学》编辑们的脑海中总会响起一句话：“他们的事业才刚刚开始。”我们每年都会列出职业生涯早期的科学家和工程师名单，这既是对获奖者已经取得的成就的庆祝，也是对他们下一步行动的预测。为了找到当今最聪明的创新者，我们在全国范围内进行了搜寻，审查了来自各个机构和学科的数百名研究人员。今年班级的集体工作为更健康、更安全、更高效、更公平的未来奠定了基础——这一未来今天已经初具规模。

• Kandis Leslie Abdul-Aziz：将食物垃圾变成过滤器
• Sangeetha Reddy：利用免疫疗法治疗乳腺癌
• 穆罕默德·哈吉斯梅利 (Mohammad Hajiesmaili)：互联网脱碳
• 雷切尔湾：预测野生动物如何适应气候变化
• John Blazeck：从头开始构建免疫系统
• 丹妮拉·门多萨·德拉吉斯蒂娜 (Daniella Mendoza DellaGiustina)：在近小行星飞行中窥探我们的未来
• Samitha Samaranayake：让交通变得可持续且公平
• Chantell Evans：寻找神经退行性疾病的根源
• Aaron Streets：绘制每个人体细胞图谱
• 丹尼尔·拉雷莫尔 (Daniel Larremore)：分析数据，预防疫情爆发

将食物垃圾变成过滤器

2007 年获得化学学士学位后，坎迪斯·莱斯利·阿卜杜勒-阿齐兹在南费城斯库基尔河沿岸的一家炼油厂找到了一份工作。她的部分工作是分析其他工业制造商可能购买的精炼石油产品，如丙酮和苯酚。她还负责测试炼油厂的废水——她注意到，废水就流到居民区旁边。“真的，如果你越过工厂往外看，”她说，“你可以看到附近的房屋。”

十多年前，一场爆炸性火灾迫使炼油厂关闭，并引发了前所未有的清理工作。但这段经历让阿卜杜勒-阿齐兹开始思考化学副产品的生命周期及其对人类健康的潜在影响。她回到学校攻读化学博士学位，她在加州大学河滨分校的实验室现在专注于让有害废物流——从塑料垃圾到温室气体——获得第二次生命。

首先，阿卜杜勒-阿齐兹决定研究她能否将玉米秸秆转化成具有经济价值的东西。玉米收割后剩下的秸秆、叶子、穗和玉米皮是美国最大的农业废弃物。其中大部分都留在地里腐烂，释放出甲烷和其他温室气体。一小部分确实被回收并转化为生物燃料，但回报通常不值得付出努力。

阿卜杜勒-阿齐兹和她的同事开始测试将垃圾转化为活性炭的多种工艺，活性炭是一种类似木炭的物质，从​​烟囱到家用的 Brita 水壶，到处都用作过滤器。她的分析发表于 2021 年，研究了通过各种方法生产的活性炭——从在工业炉中烧焦秸秆到将其浸泡在腐蚀性物质中——以及影响其吸收哪些污染物的分子特性。最终目标是：告诉她你想清理哪种化学物质，她就会制作一个可以解决问题的碳过滤器。

阿卜杜勒-阿齐兹已申请专利，希望为她的定制工艺申请专利，并正在研究其他碎屑来源和使用案例。她说，废水处理公司已表示有兴趣将她的工具用于处理 PFAS 等环境毒素——PFAS 是一种顽固的、会干扰荷尔蒙的“永久性化学物质”，在家用产品中随处可见，很容易污染饮用水。与此同时，她还展示了她可以从柑橘皮中提取活性炭，目前正在研究是否可以对塑料垃圾做同样的事情。

她还在探索更大的突破。今年早些时候，美国国家科学基金会向她拨款 50 万美元，用于开发吸收材料以捕获二氧化碳排放，并将其转化为有用的材料，如聚合物和燃料。阿卜杜勒-阿齐兹希望找到不需要彻底改造现有基础设施的实用回收工艺。“对我们来说，这是关于努力为这些可持续发展问题开发切实可行的解决方案，以便它们能够真正实施，”她解释道。她相信，正是这些小步骤将使我们走向真正的循环经济——材料可以多次重复使用。幸运的话，她的创新将有助于缓解激发她探索的石化产品带来的最严重影响。 —Mara Grunbaum

利用免疫疗法治疗乳腺癌

近几十年来，免疫疗法改变了癌症治疗的格局。增强人体对恶性肿瘤的自然免疫反应的药物大大提高了淋巴瘤、肺癌和转移性黑色素瘤等疾病患者的生存率。但这种方法在乳腺癌方面效果不佳，尤其是那些最具侵袭性的乳腺癌。德克萨斯大学西南医学中心的医师科学家 Sangeetha Reddy 正在努力改变这一现状。“我们可以做得更好，”她说。

雷迪负责治疗三阴性乳腺癌患者，这种恶性肿瘤之所以被称为三阴性乳腺癌，是因为这种恶性肿瘤没有科学家过去用抗癌药物瞄准的三种标志物。即使采用积极的化疗和手术，这些患者（占全球乳腺癌确诊病例的 15%）的预后也相对较差。尤其是免疫疗法，经常会失败，因为乳腺癌往往会阻碍人体的树突状细胞，树突状细胞是一种流动的分子间谍，可以扫除可疑物质并将其带回免疫系统总部作为新敌人引入。当身体不知道它应该攻击什么时，增强它的力量是没用的。

因此，雷迪正在努力弄清楚如何恢复树突状细胞的功能。作为一名医师科学家，她使用了一种相对较新的方法，她将其描述为“从床边到实验室再到实验室”。她在诊所治疗患者，在实验室进行体外和小鼠实验，并设计和管理自己的临床试验。这种医师科学家方法可以实现正反馈循环：雷迪可以分析从自己的患者身上切除的肿瘤，以评估治疗是否有效。然后，她可以在相同的癌细胞上测试新药。当她确定一种有希望的策略时，她可以设计临床试验来测试安全性、剂量和时间等因素。在每一步中，她都可以从所学知识中找到一些东西，将其重新运用到她的研究中或患者的护理中。

这种循环策略让雷迪找到了三种药物的组合，她目前正在测试这些药物来治疗三阴性乳腺癌：Flt3-配体，一种刺激树突状细胞增殖的蛋白质；一种有助于激活这些细胞和其他细胞的化学物质；蒽环类药物，一种标准的化疗药物。在小鼠中，这三种药物的组合使乳腺癌肿瘤比单纯化疗至少小 50%。“我们确实治愈了几只老鼠，”雷迪说。一项研究该疗法对人体安全性和有效性的 1 期临床试验于今年早些时候开始招募患者。

尽管解决一种新型癌症疗法的所有问题并扫清 FDA 批准道路上的障碍可能需要数年时间，但 Reddy 的多管齐下策略应该可以尽可能简化这一过程。这样做将使她能够实现自八年多前开始专攻癌症治疗以来一直关注的转变。作为 MD 安德森癌症中心的研究员，Reddy 在免疫疗法的临床试验中与黑色素瘤患者合作，这让她亲眼目睹了这种疗法的新兴潜力。“我们接受的患者本应在几个月内去世，但我们给了他们十年的时间，”她说。“正是这种对三阴性乳腺癌能够治愈的希望让我走上了这条道路。” —MG

互联网脱碳

我们所知的互联网与云密不可分——所有电子邮件、Zoom 和 Instagram 帖子都经过这个虚无缥缈的空间。然而，正如我们许多人所熟知的那样，这个模糊的概念是通过在偏远地区处理和存储数据的庞大仓库固定在地球上的。它们的能源需求巨大且呈指数级增长：一个模型预测，到 2030 年，它们将消耗全球 13% 的电力，而 2010 年这一比例仅为 3%。马萨诸塞大学阿默斯特分校信息学和计算机科学助理教授 Mohammad Hajiesmaili 表示，计算效率的提高有所帮助，但这些改进对减少中心对环境的影响作用不大。

“如果电力供应来自燃料来源，那么它就不是碳优化的，”哈吉斯迈利解释道。但可再生能源是零散的，因为它依赖太阳能和风能，而且受地理限制，因为它只在某些地方收获。这就是哈吉斯迈利正在努力解决的难题：数据中心如何全天候使用无碳能源运行？

答案在于设计围绕零碳目标组织能源使用的系统。目前有几种方法正在酝酿中。最简单的方法是使用计划来安排计算任务以配合可再生能源的可用性。但是，由于阳光和阵风的不可预测性以及云不会休眠的事实，这种解决方案无法单独发挥作用。另一种策略是“地理负载平衡”，即根据当地对清洁能源的获取情况将任务从一个数据中心转移到另一个数据中心。它也有缺点：将数据从一个地方转移到另一个地方仍然需要能源，Hajiesmaili 指出，“如果你不小心，这种开销可能会很大。”

一个理想的解决方案，也是他目前大部分工作的重点，是为数据中心配备电池，储存可再生能源作为储备，以便在夜间使用。“每当电网的碳强度很高时，”他说，“你就可以从电池中放电，而不是消耗当地的高碳能源。”尽管目前还没有足够大或足够便宜的电池来为数据中心提供充足的电力，但哈吉斯迈利已经在开发算法来控制未来设备的充电和放电时间——以碳优化为指导原则。这种“碳意识”电池的使用只是哈吉斯迈利认为应该彻底改革云设计的众多方式之一；最终，整个系统必须转变，将碳使用放在首位。

大多数大型科技公司都承诺在未来几十年内实现碳中和（微软就是负碳排放）。从历史上看，它们通过购买有争议的抵消额度来实现这些目标，但人们对碳智能计算的兴趣正在日益高涨。谷歌已经使用了地理负载平衡，并继续根据 Hajiesmaili 的意见对其进行微调，云计算公司 VMWare 也在筹备自己的碳减排项目。不过，在他看来，新兴的计算脱碳领域的应用远远超出了互联网。社会的各个方面——农业、交通、住房——有朝一日都可以通过同样的方式优化它们的使用。“这只是一个开始，”他说。“它将是巨大的。” ——Yasmin Tayag

预测野生动物如何适应气候变化

进化生物学家通常会思考过去发生的变化，以及数千年和数百万年的变化。而保护生物学家则倾向于关注当前野生动物种群的需求。在一个气候变暖的世界里，已有超过 10,000 种物种面临灭绝的风险，这些学科留下了一个关键的空白。我们不知道哪些动物能够适应，它们能多快适应，以及人类如何才能最好地支持它们。

这些问题的答案往往基于粗略的概括，而不是可靠的数据。加州大学戴维斯分校的进化生物学家雷切尔·贝 (Rachael Bay) 开发了一种方法，可以帮助对未来几十年濒危物种的进化方式做出具体预测。“将进化论引入保护问题确实非常新颖，”她说。

Bay 的研究核心前提解决了一个常见的盲点。关于气候变化将如何影响特定生物的推测通常假设所有生物都会对其不断变化的栖息地做出类似的反应。事实上，她指出，正是个体之间的差异决定了一个物种是否能够以及如何生存。

以她在博士研究中研究的造礁珊瑚为例：珊瑚被认为是因海洋变暖而最容易灭绝的生物之一，但有些珊瑚已经生活在比其他珊瑚更热的水域中。贝在鹿角珊瑚中发现了与耐热相关的基因，并测量了该 DNA 在较冷水域种群中的普遍性；由此，她能够模拟自然选择在各种气候变化情景下如何改变基因库。她的研究结果发表在 2017 年的《科学进展》上，引起了轰动。数据表明，如果全球碳排放量在 2050 年之前开始下降，较冷水域的珊瑚实际上可以适应变暖；如果它们不适应，或者继续像现在这样加速下降，前景将变得严峻。

Bay 继续研究珊瑚和其他海洋生物，但她也将自己的方法应用于陆地动物。2017 年，她与加州大学洛杉矶分校的同事 Kristen Ruegg 共同开展的研究支持了将柳莺的西南亚种列入美国濒危物种名单的理由。尽管柳莺物种总体数量众多，繁殖范围遍布美国大部分地区和加拿大西南部，但居住在南加州、亚利桑那州和新墨西哥州的柳莺亚种一直在努力应对栖息地丧失的问题。科学家们不仅证明，生活在沙漠中的鸟类在基因上足够独特，值得单独列入濒危物种名单，而且该种群中的个体拥有独特的基因，这些基因可能与它们在经常超过 100°F 的温度下生存的能力有关。保护这个小亚种群（不到总种群的十分之一）可以帮助整个物种生存下去。

这种具体的、前瞻性的决定正是 Bay 希望为其他面临不确定未来的野生动物提供的。最近的其他研究重点是黄莺、安娜蜂鸟和一种名为猫头鹰帽贝的太平洋沿海蜗牛如何因气候变化而改变其活动范围。“这个不切实际的目标是做出可用于管理的进化预测，”她说。 —MG

从头开始构建免疫系统

当一种新的病原体入侵时，免疫系统会向血液中释放一系列抗体——这相当于人体将意大利面条扔到墙上，看看哪些会粘住。虽然大多数蛋白质都能很好地中和入侵者，但少数有价值的蛋白质会以致命的准确性瞄准入侵者。科学家越快识别和复制这些杀手，我们就越能战胜疾病。举个例子：抗体疗法帮助了许多患有 COVID-19 的高危患者。然而，研究人体自然反应的最大挑战是，要做到这一点，人们必须生病。

佐治亚理工学院化学与生物医学工程学院的约翰·布莱泽克正在开发一种变通方法。他不想将人体用作抗体的“生物反应器”，而是想利用微生物。这样一来，就可以在烧瓶或芯片等中研究响应病原体而激发的抗体库。过去二十年来，“合成免疫系统”的梦想一直在生物技术圈内流传，但布莱泽克的工作正在将其变成现实。“我们可以拥有一百万种不同的微生物，制造一百万种不同的抗体，以模仿人体的行为，”他说。

他的职业生涯始于合成生物学，该领域涉及将基因植入微生物体内，使其产生新作用。具体来说，他试图让它们生产出生物燃料。然而，他对促进健康的兴趣促使他在 2013 年利用自己的专业知识对抗疾病，当时他向微生物体内注入了已知能产生抗体的人类基因。以这种方式重建免疫系统是一项艰巨的任务。“问题在于，这个过程已经优化了数百万年，因此很难实现，”他解释道。

尽管如此，他的团队已经取得了基础性进展，这可能为这项研究的未来奠定基础。最近，他们弄清楚了如何在抗体 DNA 被插入微生物后有效地对其进行变异，这将有助于他们选择与特定病原体结合更紧密的抗体。该过程旨在模仿免疫系统如何使用其 B 细胞（人体的抗体工厂）来自我选择产生最强防御的蛋白质。

构建合成免疫系统只是 Blazeck 增强免疫力所做工作的一半。其余工作建立在他博士后研究中，即设计一种阻止癌细胞防御的方法。肿瘤会分泌分子，阻止试图阻挡它们的免疫细胞。Blazeck 与他的前导师、德克萨斯大学奥斯汀分校的 George Georgiou 一起发现了一种酶，可以使这些分子无害，从而使免疫系统发挥作用。Ikena Oncology 是一家专门从事精准癌症治疗的公司，于 2015 年获得了这种酶的许可，这是同类酶中的首批之一。Blazeck 工作的这两个方面都处于新兴领域的前沿，早期的反响让他感到振奋。“我希望人们继续认识到尝试设计免疫力的价值，以及它如何有助于了解如何对抗疾病——以及直接对抗疾病，”他说。 —YT

在近小行星飞行中窥探我们的未来

2029 年 4 月中旬，一颗直径 1,000 英尺的小行星阿波菲斯 (Apophis) 掠过地球，全世界都将关注。但亚利桑那大学的行星科学家丹妮拉·门多萨·德拉吉斯蒂娜 (Daniella Mendoza DellaGiustina) 将比任何人都更仔细地观察。她的目光将集中在这颗太空岩石揭示的我们的过去以及它对我们的未来意味着什么。“它将吸引全世界的注意力，”她说。2022 年，NASA 任命她为 OSIRIS-APEX 任务的首席研究员，该任务将发射 OSIRIS-ReX 航天器，该航天器于 2020 年对小行星贝努进行采样，以追逐阿波菲斯。

DellaGiustina 并非一开始就对太空感兴趣，但作为一个凝视着美国西南部沙漠著名晴朗天空的“有头脑的年轻人”，她有很多大问题：我们为什么在这里？我们是如何来到这里的？社区大学的天文学课程激发了她的兴趣。后来，一门关于陨石的大学课程让她获得了与 Dante Lauretta 合作的本科研究职位，后者后来成为 OSIRIS-ReX 的首席研究员。DellaGiustina“很早就”知道这个研究环境适合她：“你正在积极地拓展人类知识的边界。”获得计算物理学硕士学位后，她开始在阿拉斯加的冰盖上进行实地工作，这些冰盖与其他星球上的冰盖相似。最终，她回到了亚利桑那大学，在那里完成了地质科学（地震学）博士学位，同时为 OSIRIS-ReX 从事图像处理工作。

她相信小行星可以解答她年轻时提出的重大问题，这种信念促使她从内到外地了解它们。“它们确实代表了太阳系形成过程中的残留物，”她说。“这有点像找到一件古代遗迹。”龙宫和木卫二等所谓的碳质小行星富含冰等挥发性物质，可能解释了启动生命的水和氨基酸是如何来到地球的。它们也可能让我们瞥见未来：“近地小行星尤其具有巨大的资源利用潜力，”DellaGiustina 说，“但有一天，它们也可能把我们带走。”

阿波菲斯并不危险，但它的飞行距离约为地球和月球之间距离的十分之一。“如果我们的星球真的受到威胁，我们需要了解‘这个东西的结构是什么？’这样我们才能适当地减轻威胁，”她说。在 DellaGiustina 的领导下，OSIRIS-APEX 项目将利用这个 7,500 年一遇的机会研究与行星的近距离接触会如何改变小行星。例如，地球的潮汐力预计会“挤压”阿波菲斯——DellaGiustina 希望通过落在地表的地震仪来测量这一拉力。

劳雷塔从 DellaGiustina 读本科时起就与她共事，她抓住机会提名她领导 OSIRIS 任务的下一阶段。她一直热衷于设计实验——劳雷塔认真考虑了她的建议，即为 OSIRIS-ReX 配备一个剂量计，以测量未来小行星宇航员的辐射风险。他补充道，“对于如此规模的项目来说，她的果断领导力是罕见且至关重要的。”如果真的有一颗意外的太空陨石威胁到地球，知道她在幕后工作会让人感到欣慰。 —YT

实现可持续和公平的交通运输

想象一下：周二早上，你打算坐火车去上班。步行到车站需要 25 分钟，所以你搭上了当地的公交车。但今天，公交车晚点了，没能及时到达车站赶上火车。你等下一班火车。你上班迟到了。

如果你的老板很严格，而你又依赖公共交通，那么错过一次交通连接就可能决定你的成败。康奈尔大学计算机科学家、土木工程师 Samitha Samaranayake 的使命就是解决这类问题。他设计算法来帮助各种公共交通方式更加无缝地协同工作，并帮助城市规划者做出改变，让最需要帮助的人受益。

在进入康奈尔大学之前，萨马拉纳亚克花了几年时间研究基于应用程序的拼车，包括按需自动驾驶汽车车队的潜力。2017 年，他与他人合作撰写了一篇颇具影响力的论文，指出如果能够高效地调度和共享汽车，Uber 和 Lyft 等公司可以减少对城市拥堵的贡献。但他很快就对完全以汽车为中心的解决方案感到失望。“对于那些负担得起的人来说，这很方便，”他说，但说到高效便捷地为城市居民提供交通，公共交通是无与伦比的。

因此，萨马拉纳亚克开始研究如何将新技术最好地融入城市交通系统，并可能解决其中的一些最常见的缺陷。以“最后一英里问题”为例：将人们从人口密集的城市地区的交通枢纽运送到他们需要去的不太集中的地方（比如偏远社区的家），这是一个挑战。如果这些连接不快捷可靠，人们可能不会使用它们。萨马拉纳亚克说，如果人们不使用社区公交线路或其他最后一英里服务，交通部门可能会削减这些服务，而不是增加公交车数量，这会使问题更加严重。

萨马拉纳亚克说，这正是拼车公司开发的技术发挥作用的地方。近年来，他设计了算法，将公共交通的实时数据与用于调度按需车辆的软件相结合。这可以让交通部门派出汽车去接载一群人，然后及时将他们送到通勤枢纽，让他们上车。

这种方法被称为“微型交通”，在疫情导致的延误之后，今年早些时候，西雅图金县地铁公司启动了一个试点项目。该项目使用基于应用程序的拼车接送轮班工人和其他住在城市郊区的人往返区域铁路线。虽然现在衡量成功还为时过早，但 Samaranayake 已经看到一些没有太多好选择的情况下通勤者的热情接受。

这指向了他的另一个目标：找到更好的方法来量化如何公平地分配交通资源，以便城市规划者最终能够设计出更有效地惠及更多人的新系统。这种社会公正因素有助于激励萨马拉纳亚克继续致力于公共交通，尽管自动驾驶汽车等更炫酷的技术通常可以获得更充足的资金。

这种情况可能会改变：近年来，萨马拉纳亚克和他的同事从美国能源部和国家科学基金会获得了近 500 万美元的资金，以追求他们的愿景。萨马拉纳亚克承认：“从研究的角度来看，公共交通并不‘酷’。但在我看来，这是通往环境可持续和公平的交通系统的唯一道路。” —MG

寻找神经退行性疾病的根源

任何学过高中生物的人都知道，线粒体是细胞的动力源。虽然这些细胞器确实负责将糖转化为能量，但它们还有很多不太受重视的功能，包括产生热量、储存和运输钙以及调节细胞生长和死亡。近几十年来，研究人员将这些功能的丧失与某些癌症和心脏病的发展联系起来。

然而，当谈到痴呆症、帕金森症和肌萎缩性脊髓侧索硬化症等疾病时，杜克大学细胞生物学家 Chantell Evans 认为是时候专门研究神经元了。“线粒体几乎与每种神经退行性疾病都有关，”Evans 说。通过揭示神经元如何处理功能失调的线粒体，她的工作可能为治疗许多目前无法治愈的疾病开辟可能性。

埃文斯的工作重点是了解神经元中一种称为线粒体自噬的过程，即细胞如何处理死亡或功能失调的线粒体。有很多理由相信脑细胞可能以独特的方式管理它们的细胞器：首先，它们不会分裂和自我补充，这意味着我们出生时产生的约 800 亿个神经元必须终生存在。神经元也非常伸展（最长的神经元从脊柱底部延伸到每个大脚趾的尖端），这意味着每个细胞核必须在很长的距离内监控和维护其大约 200 万个线粒体。

在 Evans 于 2016 年开始研究之前，对上皮细胞（覆盖身体及其器官表面的细胞）的研究已发现，两种蛋白质 PINK1 和 Parkin 似乎在帕金森病患者中发生了突变。但令人困惑的是，在实验室中使小鼠失去这些蛋白质的功能并没有导致小鼠患上与帕金森病相当的疾病。对 Evans 来说，这表明神经线粒体自噬的故事一定更加复杂。

为了找出原因，她回归了基础。她的实验室观察了培养皿中啮齿动物脑细胞处理功能失调的线粒体的过程。埃文斯通过从生长培养基中去除必需营养素，逐渐增加它们所承受的压力。她认为，这更类似于衰老人体中发生的情况，而不是使用强效化学物质破坏线粒体的典型过程。

她在 2020 年发表在《eLife》杂志上的研究结果发现，神经元中受损线粒体的清除时间明显长于上皮细胞。“我们认为，由于 [这种缓慢] 是神经元特有的，它可能使神经元处于更脆弱的状态，”她解释说。埃文斯还帮助识别了参与最著名修复途径的其他蛋白质——并确定该作用发生在神经元的胞体或主体中，而不是其线状延伸部分（称为轴突）中。她说，这可能意味着存在一条单独的途径来维持轴突中的线粒体。现在，她也想识别和了解这条途径。

彻底记录这些机制需要时间，但埃文斯表示，绘制系统图表可能会带来宝贵的医学成果。“如果我们了解了问题所在，”她说，“我们可能能够更早地诊断出患者……并更有针对性地尝试开发更好的治疗方案。” —MG

绘制每个人体细胞图谱

人类基因组计划花了十年时间才绘制出我们完整的遗传密码。从那时起，测序技术的进步大大加快了遗传学家解析 A、G、T 和 C 的速度，这使得生物学家能够从更小的角度进行更宏观的思考。他们不想拼出一个人的所有 DNA，而是想创建一个人类细胞图谱，描述身体中每个细胞的遗传物质。生物工程师 Aaron Streets 解释说，这样做将创建“健康人类的参考图谱”。

要了解是什么让单个细胞如此独特，就需要深入了解表观基因组——一套化学指令，告诉身体如何用同一条 DNA 链制造出多种细胞。“这就是表观基因组概念发挥作用的地方，”在加州大学伯克利分校负责实验室的 Streets 说。所有细胞可能都在阅读同一本书，但每个细胞的表观基因组都突出了最相关的段落——本质上是如何表达以及哪些基因被表达。Streets 正在发明科学家需要的工具，以便集中精力研究这些细节。

斯特里茨说，解读表观基因组很重要，因为除了展示健康细胞为何如此表现外，它还能揭示为什么某个细胞会失控并导致疾病（例如癌症）。他解释说，一旦知道了异常细胞的标记，研究人员就可以开发出治疗方法来解决这个问题：“我们如何才能改造细胞的表观基因组来治愈疾病？”

描述细胞特征是一项高度跨学科的工作，斯特里茨非常适合这项工作。他主修艺术和物理，但“不擅长”生物有机体研究。直到研究生院，他与一位物理学家转行的生物工程师一起工作，他才意识到从数学、物理和工程学中获得的见解对生物研究有多大帮助。

作为开端，今年 Streets 和他的同事在《自然方法》杂志上发表了一项协议，用于读取基因组中特别神秘的部分。该工具通过在字符串两端添加称为甲基的化学标记来识别难以读取的 DNA 区域内与蛋白质结合的部分（因此具有表观基因组学意义）。对于宾夕法尼亚大学药理学教授、单细胞生物学先驱 James Eberwine 来说，“它将非常有用”，用于构建细胞图谱。

现在，Streets 的实验室正在开发新软件，将构成单个细胞基因组的数百万个序列拼凑在一起。而且，由于绘制每个解剖细胞图谱需要相当多的团队合作，他们创建的程序会与其他科学家免费共享，这些科学家可以使用这些工具进行自己的发现。“如果你看看我们在理解人体运作方式方面取得的巨大进步，”Streets 说，“它们与技术进步密切相关。” —YT

处理数据以防疫情爆发

和 2020 年初的所有人一样，丹尼尔·拉雷莫尔 (Daniel Larremore) 也想知道这种病毒在全球蔓延是否会引起大问题。他是否不得不取消原定于 3 月举行的激动人心的学术研讨会？他正在进行的有关疟原虫免疫逃避基因的研究又将如何呢？

随着答案逐渐明朗，他的下一个重大任务也随之而来：预测疾病的发展轨迹，以便科学家和决策者能够提前预防。这位科罗拉多大学博尔德分校的计算机科学家认为：“你有传染病和数学建模方面的背景。如果在全球大流行时你不做出贡献，你什么时候才能挺身而出？”他暂停了疟疾流行病学的研究，并给研究新爆发疫情的同事发了电子邮件，询问他的实验室如何提供帮助。“我在 3 月中旬发了邮件，”他说，“直到 2021 年初至年中才停止工作。”

在来到博尔德之前，拉雷莫尔曾是哈佛大学陈曾熙公共卫生学院的博士后候选人，在那里他第一次沉浸在传染病的世界里——它是如何传播的，它是如何逃避免疫的，以及如何模拟它的传播。这让他为第一波 COVID-19 研究问题做好了充分的准备，这些问题都是关于如何解决抗体测试的缺点。当时，它们是唯一可用于计数感染的工具，但它们的敏感性和特异性差异很大。他在最初几个月合作撰写的一篇论文描述了如何估计感染率，这是证明口罩强制令和社交距离等公共卫生措施合理性的关键指标。

随着疫情的持续，拉雷莫尔和他的同事们继续展望未来：“六个月后，我们会问什么问题，希望马上得到答案？” 他们进行的研究现在支撑了美国大部分新冠政策：他们的模型发现，检测速度而非准确性对于遏制病毒传播更为重要；免疫护照的成功取决于病毒的流行程度和传染性；老年人和身体虚弱的人应优先接种疫苗。 经常与拉雷莫尔合作的哈佛大学陈曾熙公共卫生学院副教授约纳坦·格拉德 (Yonatan Grad) 说：“丹在多个不同学科做了大量工作，我认为他的贡献确实非常了不起。”

在 COVID-19 工作逐渐结束的同时，拉雷莫尔已经开始帮助制定一项涉及家庭检测的疾病缓解一般理论。通过建模，他希望找出检测在多大程度上可以减缓不同传染病的传播，以及这种传播如何随着疾病或变异而变化。他很高兴能利用 COVID-19 引发的公众科学素养的飞跃：“如果你告诉人们自己采集鼻拭子，他们会做得很好，”他说。他想象着一个公众可以可靠地自我诊断流感等常见疾病的世界，并采取适当的措施（戴口罩、开窗）来保护他人。“这似乎真的赋予了人们力量，”拉雷莫尔说。“而且，这可能是一个很酷的未来。” —YT