“他们才刚刚开始”——这是《流行科学》杂志的编辑们在每次汇集新一期“杰出十人”榜单时，心中都会响亮回响的一句话。我们每年评选出的早期职业科学家和工程师榜单，既是对我们入选者已有成就的庆祝，也是对他们未来将要做什么的预测。为了找到当下最耀眼的创新者，我们启动了全国范围的搜寻，对来自不同机构和学科的数百名研究人员进行了严格的筛选。今年入选者们的集体工作，正在为更健康、更安全、更高效、更公平的未来奠定基础——一个已经成型的未来。
- Kandis Leslie Abdul-Aziz：将食物垃圾转化为过滤器
- Sangeetha Reddy：利用免疫疗法治疗乳腺癌
- Mohammad Hajiesmaili：使互联网脱碳
- Rachael Bay：预测野生动物如何适应气候变化
- John Blazeck：从零开始构建免疫系统
- Daniella Mendoza DellaGiustina：在近地小行星飞掠中窥探我们的未来
- Samitha Samaranayake：使交通运输可持续且公平
- Chantell Evans：寻找神经退行性疾病的根源
- Aaron Streets：绘制所有人类细胞图谱
- Daniel Larremore：通过数据分析预测疫情爆发
将食物垃圾转化为过滤器
在2007年获得化学学士学位后，Kandis Leslie Abdul-Aziz 在南费城一家沿舒库尔河的炼油厂工作。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。她还负责检测炼油厂的废水——她注意到，这些废水直接排放在居民区旁边。“字面意思上，如果你望向工厂外面，”她说，“就能看到近在咫尺的房屋。”
那是在一次 爆炸性火灾 迫使炼油厂关闭并引发前所未有的清理工作十多年前。但这段经历让Abdul-Aziz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。她重返学校攻读化学博士学位，现在她在加州大学河滨分校的实验室专注于赋予有问题的废物流——从塑料垃圾到温室气体——第二次生命。
首先，Abdul-Aziz 决定研究她是否可以将玉米秸秆转化为有经济价值的东西。收获后留下的茎、叶、穗和壳，构成了美国最丰富的农业废弃物。大部分被遗弃在地上腐烂，释放甲烷和其他温室气体。一小部分被回收并转化为生物燃料，但通常收益不值得付出努力。
Abdul-Aziz 和她的同事们着手测试将这些废弃物转化为活性炭的多种工艺——活性炭是一种类似炭的物质，用作从烟囱到您家Brita滤水器的各种过滤材料。她于2021年发表的分析，考察了通过各种方法生产的活性炭——从在工业炉中炭化秸秆到用腐蚀性物质浸泡——以及影响其吸附哪些污染物的分子特性。最终目标是：告诉她您想清除哪种化学品，她就能制造出能够完成这项工作的碳过滤器。
此后，Abdul-Aziz 申请了她的定制化工艺专利，并正在研究其他类型的废物和用途。她说，废水处理公司对使用她的工具处理环境毒素如 PFAS 感兴趣——这些顽固的、干扰内分泌的“永久性化学品”普遍存在于家用产品中，并且容易污染饮用水。与此同时，她还证明了她可以从橘子皮中提取活性炭，现在正在研究是否可以用塑料垃圾做同样的事情。
她还在探索一个更大的目标。今年早些时候，美国国家科学基金会 授予 她五十万美元，用于开发吸附材料，以捕获二氧化碳排放并帮助将其转化为聚合物和燃料等有用材料。Abdul-Aziz 希望确定实用的回收工艺，而无需大规模改造现有基础设施。“对我们来说，关键是尝试为这些可持续性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推动我们走向一个真正的循环经济——一个材料可以反复使用的经济。如果运气好的话，她的创新将有助于缓解最初激发她研究的石化产品所造成的最严重影响。——Mara Grunbaum
利用免疫疗法治疗乳腺癌
近几十年来，免疫疗法 已经成为癌症治疗的“游戏规则改变者”。增强身体对抗恶性肿瘤的天然免疫反应的药物，显著提高了淋巴瘤、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——尤其是最具侵袭性的乳腺癌——的治疗中效果不佳。德克萨斯大学西南医学中心的医生兼科学家 Sangeetha Reddy 正在努力改变这种情况。“我们可以做得更好，”她说。
Reddy 治疗 三阴性 乳腺癌患者，之所以被称为三阴性，是因为这些恶性肿瘤没有科学家们传统上用抗癌药物靶向的任何三种标志物。即使是积极的化疗和手术，对这些患者的预后——他们占全球乳腺癌诊断的约15%——仍然相对较差。特别是免疫疗法，通常会失败，因为乳腺癌倾向于削弱身体的树突状细胞——这些是搜集可疑物质碎片并将其带回免疫系统总部作为新敌人引入的分子侦察兵。当身体不知道应该攻击什么时，增强其力量几乎没有用处。
因此，Reddy 正在试图弄清楚如何恢复树突状细胞的功能。作为一名医生兼科学家，她采用了一种相对较新的方法，她称之为“从病床到实验室再回到病床”。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。这种医生兼科学家的模式能够实现积极的反馈循环：Reddy 可以分析从她自己的患者身上切除的肿瘤，以评估治疗是否有效。然后，她可以针对同一种癌细胞测试新药。当她发现一个有前景的策略时，她就可以设计临床试验来测试安全性、剂量和时间等。在每一个步骤中，她都能从所学到的东西中找到可以融入她的研究或患者护理的元素。
这种周期性策略使 Reddy 能够发现一种她目前正在针对三阴性乳腺癌进行测试的药物组合：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；以及蒽环类，一种标准的化疗药物。在小鼠身上，这种三联疗法使乳腺癌肿瘤比单独化疗小至少50%。“我们实际上治愈了几只小鼠，”Reddy说。一项调查该疗法在人体中的安全性和有效性的 I 期 临床试验 于今年早些时候开始招募患者。
尽管可能需要数年时间才能解决新癌症治疗的所有难题并清除通往 FDA 批准的障碍，但 Reddy 的多管齐下的策略应尽可能地简化这一过程。这样做将使她能够实现自八年前她开始专攻癌症治疗以来一直关注的转变。作为 MD 安德森癌症中心的进修医生，Reddy 曾与黑色素瘤患者进行免疫疗法临床试验，这让她亲眼目睹了该疗法的巨大潜力。“我们曾将几个月内就会去世的患者，让他们获得了十年的生命，”她说。“仅仅是这种我们能用（三阴性乳腺癌）来实现的希望，就引导我走上了这条道路。”——M.G.
使互联网脱碳
我们所知的互联网 与云是密不可分的——那是所有电子邮件、Zoom 和 Instagram帖子都经过的虚拟空间。然而，正如我们许多人所熟知的那样，这个模糊的概念依赖于地球上庞大的数据中心，这些数据中心在偏远地区进行计算和存储数据。它们对能源的需求巨大且 呈指数级增长：一项 模型 预测，到2030年，它们将消耗全球13%的电力，而2010年仅为3%。马萨诸塞大学阿默斯特分校信息学和计算机科学副教授 Mohammad Hajiesmaili 表示，计算效率的提高有所帮助，但这些改进对减少数据中心对环境的影响作用甚微。
“如果电力供应来自燃料，那么它就不是碳优化的，”Hajiesmaili 解释道。但可再生能源是间歇性的，因为它依赖于阳光和风，并且在地理上受到限制，因为它只在特定地区收获。这是 Hajiesmaili 正在努力解决的难题：数据中心如何才能全天候运行在零碳能源上？
答案在于设计围绕零碳目标组织能源使用的系统。有几种方法正在开发中。最简单的方法是采用将计算任务安排在可再生能源可用时进行的方案。但鉴于明亮阳光和阵阵风的不确定性——以及云从不休息的事实——这种方法本身无法解决问题。另一种策略是“地理负载均衡”，它涉及根据当地清洁能源的可用性将任务从一个数据中心转移到另一个数据中心。Hajiesmaili 指出，它也有缺点：将数据从一个地方传输到另一个地方仍然需要能源，而且“如果你不小心，这个开销可能会相当大。”
一个理想的解决方案，也是他目前工作的重点，包括为数据中心配备电池，这些电池存储可再生能源作为储备，以便在需要时（例如晚上）使用。“每当电网的碳强度很高时，”他说，“你就可以直接从电池放电，而不是消耗当地的高碳能源。”尽管足够大或足够便宜的为数据中心供电的电池尚不存在，Hajiesmaili 已经在 开发算法 来控制未来设备的充放电时间——将碳优化作为其指导原则。他认为，这种“碳感知”电池使用只是云设计应彻底改革的众多方式之一；最终，整个系统必须进行调整，将碳使用放在首位。
大多数大型科技公司都已承诺在未来几十年内实现碳中和——甚至负碳（如微软）。历史上，它们通过购买有争议的 碳抵消信用额 来实现这些目标，但人们对碳智能计算的兴趣日益浓厚。例如，谷歌已经在使用 地理负载均衡，并继续在 Hajiesmaili 的指导下对其进行微调，而云计算机公司 VMWare 也有自己的减碳项目在进行中。然而，在他看来，新兴的计算脱碳领域具有超越互联网的应用。社会的所有方面——农业、交通、住房——都可能有一天通过相同的方法优化其使用。“这仅仅是开始，”他说。“这将是巨大的。”——Yasmin Tayag
预测野生动物如何适应气候变化
进化生物学家 通常考虑的是过去发生的、以数千年和数百万年为尺度发生的变化。与此同时，保护生物学家倾向于关注当前野生动物种群的需求。在一个变暖的世界里，那里有 超过10,000 个物种已经面临灭绝风险增加，这些学科留下了一个重要的空白。我们不知道哪些动物能够适应，它们适应的速度有多快，以及人们如何最好地支持它们。
对这些问题的回答通常基于粗略的概括，而不是可靠的数据。加州大学戴维斯分校的进化生物学家 Rachael Bay 已经开发出一种方法，可以帮助对受威胁物种在未来几十年内如何进化做出具体预测。“将进化论注入保护问题是相当新颖的，”她说。
Bay 的工作核心前提解决了普遍存在的盲点。关于气候变化将如何影响特定生物的猜测，通常假设它们都会以相似的方式对不断变化的环境做出反应。实际上，她指出，正是个体之间的差异决定了一个物种是否以及如何能够生存。
以她博士研究中关注的造礁珊瑚为例：它们被认为是由于海洋变暖而最容易灭绝的生物之一，有些珊瑚已经生活在比其他珊瑚更热的水域中。Bay 识别 了与珊瑚 *Acropora hyacinthus* 耐热性相关的基因，并测量了这些 DNA 在较冷水域种群中的流行程度；从那里，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。她的发现，发表在2017年 《科学进展》 杂志上，引起了轰动。数据显示，如果全球碳排放量在2050年前开始下降，较冷水域的珊瑚确实能够适应变暖；如果不然，或者像过去那样继续加速，前景将一片黯淡。
Bay 继续研究珊瑚和其他海洋生物，但也将其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 进行的一项 工作 进一步证实了将一种西南亚种的柳雀保存在 美国濒危物种名单 上的理由。尽管该物种整体数量丰富，繁殖范围覆盖美国大部分地区和加拿大西南部，但栖息在南加州、亚利桑那州和新墨西哥州的亚种却因栖息地丧失而举步维艰。科学家们不仅证明了生活在沙漠中的鸟类在基因上足够独特，值得单独列入名录，而且该种群中的个体还拥有 独特的基因，很可能与它们在经常超过100°F的温度下生存的能力有关。保护这个不到总人口千分之一的小亚种，可能有助于整个物种的生存。
Bay 希望能够为其他面临不确定未来的野生动物做出这种具体、前瞻性的决定。其他近期研究则侧重于黄林莺、安娜蜂鸟和一种名为帽贝的太平洋沿海蜗牛可能会如何因气候变化而改变它们的分布范围。“我的最终目标是做出可以用于管理的进化预测，”她说。——M.G.
从零开始构建免疫系统
当新病原体 入侵时，免疫系统会向血液中释放一套抗体——这相当于身体向墙上扔意大利面，看看哪个能粘住。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将以致命的精确度瞄准。科学家们越快能够识别和复制这些“杀手”，我们就越能更好地战胜疾病。例如：抗体疗法帮助许多患有 COVID-19 的高危患者。然而，研究人体自然反应的最大挑战在于，为了做到这一点，人们必须生病。
佐治亚理工学院化学与生物医学工程系的 John Blazeck 正在开发一种解决方案。他不想使用人体作为抗体的“生物反应器”，而是想使用微生物。这样，在病原体引发的反应中的抗体库就可以在一个烧瓶或芯片中进行研究。“合成免疫系统”的梦想在生物技术领域已经流传了二十多年，但 Blazeck 的工作正将其变为现实。“我们可以拥有数百万种不同的微生物，制造数百万种不同的抗体，这些抗体可以模仿一个人正在做的事情，”他说。
他的职业生涯始于合成生物学，这是一个将基因插入微生物以使其执行新功能的领域。具体来说，他试图让它们产生生物燃料。然而，他对推进健康事业的兴趣促使他在2013年利用自己的专业知识来对抗疾病，当时他将含有已知产生抗体的基因的人类基因注入微生物。以这种方式重现免疫系统是一项艰巨的任务。“诀窍在于，这个过程已经被优化了数百万年，所以很难实现，”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，他们找到了在将抗体 DNA 插入微生物后有效地对其进行突变的方法，这将帮助他们选择与特定病原体结合更紧密的抗体。这个过程旨在模仿免疫系统如何利用其 B 细胞——身体的抗体工厂——来选择产生最强防御的蛋白质。
构建合成免疫系统只是 Blazeck 在增强免疫力方面所做工作的一半。另一半则建立在他的博士后研究之上，即工程化一种方法来挫败癌细胞的防御。肿瘤会分泌分子来阻止试图进入的免疫细胞。Blazeck——与他在德克萨斯大学奥斯汀分校的前导师 George Georgiou 一起——发现了一种可以使这些分子无害的酶，从而使免疫系统能够发挥其作用。Ikena Oncology，一家专注于精准癌症治疗的公司，在2015年获得了这种同类首创的酶的许可。Blazeck 工作中的这两个方面都处于新兴领域的前沿，他因早期的积极反响而感到欣慰。“我希望人们继续认识到工程免疫力的价值，以及它如何有助于理解如何与疾病作斗争——以及直接与疾病作斗争，”他说。——Y.T.
在近地小行星飞掠中窥探我们的未来
全世界 都将关注2029年4月中旬一颗名为 Apophis 的1000英尺宽小行星飞掠地球。但亚利桑那大学的行星科学家 Daniella Mendoza DellaGiustina 将比任何人都看得更仔细。她的目光将集中在这块太空岩石所揭示的我们的过去——以及它对我们未来的意义。“它将吸引全世界，”她说。2022年，NASA 将她任命为 OSIRIS-APEX 任务的首席研究员，该任务将派遣 OSIRIS-ReX 航天器，在2020年采样了小行星 Bennu 后，追逐 Apophis。
DellaGiustina 一开始并不总是对太空感兴趣，但作为一名“聪明的年轻人”，凝视着西南沙漠著名的晴朗天空，她有许多宏大的问题：我们为什么在这里？我们是如何来到这里的？一门社区大学的天文学课程引起了她的兴趣。然后，一门关于陨石的大学课程让她获得了一个本科研究职位，师从Dante Lauretta，他后来成为了 OSIRIS-ReX 的首席研究员。DellaGiustina “很早就”知道研究环境适合她：“你在积极地拓展人类知识的边界。”她获得了计算物理学硕士学位，然后前往阿拉斯加的冰盖进行野外工作，那里类似于其他行星上的冰盖。最终，她回到了亚利桑那大学，在那里攻读地质学（地震学）博士学位，同时参与了 OSIRIS-ReX 的图像处理工作。
她坚信小行星蕴藏着她年少时宏大问题的答案，这促使她从内部去理解它们。“它们确实代表了太阳系形成的遗迹，”她说。“这就像发现一件古代文物。”像 Ryugu 和 Europa 这样的所谓碳质小行星——富含挥发性物质，包括冰——可能解释了水和启动生命的氨基酸是如何来到地球的。它们也可能提供对未来的展望：“特别是近地小行星，在资源利用方面具有巨大的潜力，”DellaGiustina 说，“但其中一颗也可能随时毁灭我们。”
Apophis 不被认为是危险的，但它将以大约十分之一地月距离飞掠。她说：“如果我们未来面临来自我们自己星球的威胁，我们需要了解‘这个东西的结构是什么？’，以便我们能够有效地进行抵御。”在 DellaGiustina 的领导下，OSIRIS-APEX 项目将利用这每7500年一次的机会，研究近距离行星遭遇如何改变小行星。例如，预计地球的潮汐力将“挤压”Apophis——DellaGiustina 希望通过放置在表面的地震仪来测量这种拉力。
Lauretta，自 DellaGiustina 还是本科生起就与她共事，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——Lauretta 认真考虑了她为 OSIRIS-ReX 配备剂量计以测量未来在小行星上漫游的宇航员的辐射风险的提议。他补充说，她“果断的领导力非常罕见，并且对如此规模的项目至关重要。”万一有一颗失控的太空岩石威胁地球，知道她在幕后工作将是一种安慰。——Y.T.
使交通运输可持续且公平
想象一下：这是一个星期二的早晨，你计划乘火车去上班。走到车站需要25分钟，所以你跳上了当地的巴士。然而，今天巴士延误了，没能在你赶上火车的时间到达车站。你只好等下一班。上班迟到了。
如果你的老板很严格，而你依赖公共交通，那么错过一班车可能会让你功亏一篑。这些正是康奈尔大学的计算机科学家转行而来的土木工程师 Samitha Samaranayake 致力于解决的问题。他设计算法，帮助各种大众交通工具更顺畅地协同工作——并帮助城市规划者做出最惠及那些最需要的人的改变。
在康奈尔大学之前，Samaranayake 花了好几年时间研究应用程序打车服务，包括按需自动驾驶车队的可能性。2017年，他与人合著了一篇 有影响力的论文，表明像 Uber 和 Lyft 这样的公司如果能够高效地调度和共享车辆，就可以减少它们对城市拥堵的贡献。但他很快就对纯粹以汽车为中心的解决方案感到失望。“这对能负担得起的人来说很方便，”他说，但就高效、便捷地移动城市居民而言，大众交通是无与伦比的。
因此，Samaranayake 开始研究如何将新技术最好地融入城市交通系统——并可能解决它们最常见的陷阱。以“最后一英里问题”为例：这是将人们从市中心交通枢纽运送到他们需要去的、更分散的地方——比如远郊的家——的挑战。如果这些连接不够快捷可靠，人们可能就不会使用它们。Samaranayake 说，如果人们不使用社区公交线路或其他“最后一英里”服务，交通机构可能会削减而不是增加班次，从而使问题更加严重。
Samaranayake 说，这正是打车服务公司的技术变得有用的地方。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。这可以使交通部门派遣车辆接载一群人，然后将他们送到通勤枢纽，以便他们能够赶上转乘。
这种方法被称为“微型交通”，在与疫情相关的延误之后，西雅图的 King County Metro 的试点项目 于今年早些时候启动。它使用基于应用程序的拼车货车来接送轮班工人和居住在该市郊区的人们往返区域铁路。尽管现在衡量成功还为时过早，但 Samaranayake 看到一些别无选择的通勤者热情地参与其中。
这指向了他的另一个目标：寻找更好的方法来量化交通资源的分配公平性，以便城市规划者最终能够设计出能够更有效地惠及更多人的新系统。这种社会公正的元素帮助 Samaranayake 坚持研究大众交通，即使它的资金一直比自动驾驶汽车等更吸引人的技术要少。
这可能正在改变：近年来，Samaranayake 和他的合作者获得了美国能源部和国家科学基金会近500万美元的资助，以实现他们的愿景。“从研究的角度来看，交通运输并不‘酷’，”Samaranayake 承认。“但在我看来，这是走向一个环境可持续且公平的交通系统的唯一途径。”——M.G.
寻找神经退行性疾病的根源
任何 上过 高中生物课的人都知道，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，但它们也有许多不那么被重视的功能，包括产生热量、储存和转运钙，以及调节细胞生长和死亡。近几十年来，研究人员已将这些功能障碍与某些癌症和 心脏病 的发展联系起来。
然而，对于痴呆症、帕金森病和 ALS 等疾病，杜克大学细胞生物学家 Chantell Evans 认为现在是时候专门研究神经元了。“线粒体几乎与每一种神经退行性疾病都有关联，”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。
Evans 的工作专注于理解神经元中一种称为“线粒体自噬”的过程——细胞如何处理死亡或功能失调的线粒体。有充分的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，它们不会分裂和补充自身，这意味着我们出生时被分配的约800亿个细胞必须持续一生。神经元也极其细长（最长的神经元从脊柱底部延伸到每个大脚趾尖），这意味着每个细胞核必须在很远的距离上监测和维护其约两百万个线粒体。
在 Evans 于2016年开始她的研究之前，关于上皮细胞——覆盖身体及其器官表面的细胞——的研究已经确定了两种蛋白质，PINK1 和 Parkin，它们似乎在帕金森病患者中存在突变。但令人困惑的是，在实验室将这些蛋白质从小鼠体内禁用并没有导致小鼠患上相当于帕金森病的疾病。对 Evans 来说，这表明神经线粒体自噬的故事一定更复杂。
为了找出原因，她回到了基础。她的实验室观察培养皿中的啮齿动物脑细胞如何处理功能失调的线粒体。Evans 逐渐通过从它们的生长培养基中去除必需营养素来增加它们的压力。她认为，这比使用强效化学品损伤线粒体的典型过程更接近于衰老人体发生的情况。
她于2020年在 *eLife* 杂志上发表的结果 发现，神经元处理受损线粒体所需的时间比上皮细胞长得多。“我们认为，因为（这种缓慢）是神经元特有的，所以它可能使神经元处于更脆弱的状态，”她解释道。Evans 还帮助 识别了 参与最知名的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，而不是在其被称为轴突的线状延伸中。她说，这可能意味着存在一个独立的途径在维持轴突中的线粒体。现在，她也想识别并理解那个途径。
彻底记录这些机制需要时间，但 Evans 说，绘制出这个系统可能会带来宝贵的药物。“如果我们了解哪里出了问题，”她说，“我们或许可以更早地诊断出患者……并且在开发更好的治疗方案方面更加有针对性。”——M.G.
绘制所有人类细胞图谱
人类基因组计划 花了十年时间绘制了我们完整的遗传密码。自那时以来，测序技术的进步极大地加快了遗传学家解读 A、G、T 和 C 的速度，这使得生物学家们能够通过缩小范围来思考更宏大的问题。他们不想拼出一个人所有的 DNA，而是想创建一个人类细胞图谱，以表征体内每一个细胞的遗传物质。这样做将创建一个“健康人类的参考图谱，”生物工程师 Aaron Streets 解释道。
理解个体细胞的独特性需要对表观基因组有深入的了解——这是一套化学指令，告诉身体如何用相同的 DNA 序列制造多种细胞。“这就是表观基因组概念发挥作用的地方，”Streets 说，他在加州大学伯克利分校经营着一个实验室。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——本质上是如何以及哪些基因被表达。Streets 正在发明科学家们需要的工具来精准地关注这些细节。
Streets 说，阅读表观基因组很重要，因为除了展示健康细胞为何如此运作之外，它还可以揭示单个细胞为何会失控并导致疾病——例如癌症。他解释说，一旦知道了“流氓分子”的标记，研究人员就可以开发出能够解决这个问题：“我们如何通过工程化细胞的表观基因组来治愈疾病？”
细胞表征是一项高度跨学科的工作，Streets 非常适合这项工作。他主修艺术和物理学，但“就是不擅长”生物有机体研究。直到研究生时期，当他与一位转行成为生物工程师的物理学家合作时，他才意识到数学、物理学和工程学可以为活体研究带来多少深刻的见解。
作为开端，今年 Streets 和他的同事们在《Nature Methods》杂志上发表了一项关于解读基因组中特别神秘部分的方案。该工具通过用称为甲基的化学标记物将字符串的两端连接起来，从而识别难以读取的 DNA 区域内与蛋白质结合的区域——因此具有表观基因组学意义。宾夕法尼亚大学药理学教授、单细胞生物学先驱 James Eberwine 认为，该工具在构建细胞图谱方面“将非常有价值”。
现在，Streets 的实验室正在开发新的软件，以整合构成单个细胞基因组的数百万个序列。而且，由于绘制所有解剖学细胞图谱需要大量的团队合作，他们创建的程序会免费与可以利用这些工具进行自身发现的其他科学家共享。“如果你看看我们对人体如何运作的理解方面取得的巨大飞跃，”Streets 说，“它们与技术进步高度相关。”—Y.T.
通过数据分析，抢在疫情爆发前
2020 年初，就像所有人一样， Daniel Larremore 也在想，这个正在全球蔓延的病毒是否会成为一个大问题。他原本计划的激动人心的学术研讨会是否会被取消？他正在进行的关于疟疾寄生虫免疫逃逸基因的研究又将如何？
随着答案逐渐清晰，他的下一个重大任务也浮出水面：预测疾病的轨迹，以便科学家和政策制定者能够抢先一步。“你对传染病和数学建模有一定的背景，”科罗拉多大学博尔德分校的计算机科学家想。“如果发生全球性大流行病时你不挺身而出，那你何时才会站出来？”他暂停了关于疟疾流行病学的工作，给研究新疫情的同事发邮件，询问他的实验室能提供什么帮助。“我是在三月中旬发的邮件，”他说，“一直工作到 2021 年初或中期才停下来。”
在来到博尔德之前，Larremore 是哈佛 T.H. Chan 公共卫生学院的博士后研究员，在那里他首次接触到了传染病的世界——它是如何传播的，如何逃避免疫，以及如何模拟其传播。这让他为应对 COVID-19 的第一波研究问题做好了充分准备，这些问题都围绕着抗体测试的不足。当时，抗体测试是衡量感染的唯一工具，但它们的敏感性和特异性差异很大。他在早期几个月合著的一篇论文描述了如何估算感染率，这是证明戴口罩和保持社交距离等公共卫生措施合理性的一个关键指标。
随着疫情的持续，Larremore 和他的合作者继续向前思考：“六个月后我们会问什么问题，而我们希望立即就能得到答案？”他们现在进行的研究支撑了美国许多 COVID 政策：他们的模型发现，在抑制病毒传播方面，测试的速度比准确性更重要；免疫通行证的成功取决于病毒的流行度和传染性；以及老年人和有医学风险的人应优先接种疫苗。“Dan 在多个不同学科领域做了大量工作，我认为他的贡献确实非常了不起，”哈佛 T.H. Chan 公共卫生学院副教授、经常与 Larremore 合作的 Yonatan Grad 说。
虽然他对 COVID-19 的研究正在逐渐减少，但 Larremore 已经在帮助开发一种涉及居家检测的疾病缓解通用理论。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——以及这如何随着疾病或变异的出现而改变。他对利用 COVID-19 带来的公众科学素养的飞跃感到兴奋：“如果你让人们自行采集鼻拭子，他们会做得很好，”他说。他设想一个世界，公众可以可靠地自行诊断流感等常见疾病，并采取适当的措施（戴口罩、开窗）来保护他人。“这看起来非常有力量，”Larremore 说，“而且，可能是一个很酷的未来。”—Y.T.
