ブリリアント10: 科学界の将来有望なトップ10

ポピュラーサイエンス誌の編集者の頭の中では、新しいブリリアント 10 クラスを集めるたびに、「彼らはまだ始まったばかりだ」というフレーズが鳴り響いています。私たちの若手科学者とエンジニアの年次リストは、受賞者がこれまでに成し遂げたことを祝うものであると同時に、彼らが次に何をするかを予測するものでもあります。今日の最も優秀なイノベーターを見つけるために、私たちは全国規模の検索に乗り出し、さまざまな機関や分野の何百人もの研究者を精査しました。今年のクラスの共同作業は、より健康的で、より安全で、より効率的で、より公平な未来への土台を築くものであり、それは今日すでに形になりつつあります。

カンディス・レスリー・アブドゥルアジズ: 食品廃棄物をフィルターに変える
サンジータ・レディ：乳がんに対する免疫療法の力を活用する
モハメド・ハジエスマイリ: インターネットの脱炭素化
レイチェル・ベイ：野生生物が気候変動にどう適応するかを予測する
ジョン・ブレイゼック: 免疫システムをゼロから構築する
ダニエラ・メンドーサ・デラジュスティーナ：小惑星近傍のフライバイで未来を探る
サミサ・サマラナヤケ氏: 交通機関を持続可能かつ公平なものにする
シャンテル・エヴァンス: 神経変性疾患の根源を探る
アーロン・ストリーツ: 人間の細胞すべてをマッピングする
ダニエル・ラレモア：感染拡大に先手を打つために数字を分析

食品廃棄物をフィルターに変える

カンディス・レスリー・アブドゥル・アジズ：化学環境工学助教授、カリフォルニア大学リバーサイド校カリフォルニア大学リバーサイド校

カンディス・レスリー・アブドゥル・アジズさんは、2007年に化学の学士号を取得した後、サウスフィラデルフィアのシュイキル川沿いにある石油精製所に就職しました。彼女の仕事の一部は、他の工業メーカーが購入する可能性のあるアセトンやフェノールなどの精製石油製品の分析でした。また、精製所の廃水の検査も任されていましたが、その廃水が住宅街のすぐそばに流れ出ていることに彼女は気づかずにはいられませんでした。「文字通り、工場の向こうを見渡すと、すぐ近くに家々が見えました」と彼女は言います。

それは爆発火災で製油所が閉鎖を余儀なくされ、前例のない清掃活動が促される10年以上前のことだ。しかし、この経験からアブドゥル・アジズさんは化学副産物のライフサイクルとそれが人間の健康に及ぼす潜在的な影響について考えるようになった。彼女は化学の博士号を取得するために大学に戻り、カリフォルニア大学リバーサイド校の研究室では現在、プラスチックごみから温室効果ガスまで、問題のある廃棄物の流れに第二の人生を与えることに焦点を当てている。

まず、アブドゥルアジズさんはトウモロコシの茎を経済的価値のあるものに転換できるかどうか調べることにしました。収穫後に残った茎、葉、穂先、殻は、アメリカで最も多く発生する農業廃棄物です。その多くは地面に放置されて腐り、メタンなどの温室効果ガスを放出します。ごく一部は回収されてバイオ燃料に変換されますが、その見返りは通常、労力に見合うものではありません。

アブドゥル・アジズ氏と同僚たちは、廃棄物を活性炭に変える複数のプロセスのテストに着手した。活性炭は煙突から家庭のブリタのピッチャーまで、あらゆる場所でフィルターとして使われている木炭のような物質だ。2021年に発表された彼女の分析では、工業用炉でストーブを焦がす方法から腐食性物質に浸す方法まで、さまざまな方法で生成された活性炭と、活性炭が吸収できる汚染物質に影響を与える分子特性について検討している。最終的な目標は、どんな化学物質を除去したいかを伝えれば、その目的を果たす炭素フィルターを作ってくれることだ。

アブドゥル・アジズ氏はその後、このカスタマイズ可能なプロセスの特許を申請し、他の廃棄物源や使用例を検討している。廃水処理会社は、PFAS などの環境毒素に彼女のツールを使用することに関心を示していると彼女は言う。PFAS は、家庭用品に遍在し、飲料水を汚染する傾向のある、頑固でホルモンをかく乱する「永遠の化学物質」である。同時に、彼女は柑橘類の皮から活性炭を抽出できることも実証しており、現在はプラスチックごみでも同じことができるかどうか調査している。

彼女はさらに大きな飛躍も模索している。今年初め、国立科学財団は彼女に二酸化炭素排出物を捕らえてポリマーや燃料などの有用な材料に再変換する吸収材の開発に50万ドルを授与した。アブドゥル・アジズは、既存のインフラを全面的に改修する必要のない実用的なリサイクルプロセスを見つけたいと考えている。「私たちにとって重要なのは、これらの持続可能性の問題に対する現実的な解決策を開発し、実際に実行できるようにすることです」と彼女は説明する。彼女は、こうした小さなステップこそが、材料を何度も再利用できる真の循環型経済へと私たちを導くと信じています。そして運が良ければ、彼女の革新は、彼女の探求のきっかけとなった石油化学製品による最悪の影響を緩和するのに役立つでしょう。—マラ・グルンバウム

乳がんに対する免疫療法の力を活用する

サンジータ・レディ：テキサス大学サウスウェスタン医療センター内科助教授サンジータ・レディ提供

免疫療法はここ数十年、がん治療に革命をもたらしてきた。悪性腫瘍に対する体の自然な免疫反応を増強する薬剤は、リンパ腫、肺がん、転移性黒色腫などの疾患の患者の生存率を劇的に改善した。しかし、この治療法は乳がん、特に最も悪性度の高い乳がんにはあまり効果がなかった。テキサス大学サウスウェスタン医療センターの医師兼科学者サンジータ・レッディ氏は、この状況を変えようとしている。「もっと良い方法があるはずです」と彼女は言う。

レディ博士はトリプルネガティブ乳がんの患者を研究している。トリプルネガティブ乳がんは、科学者がこれまで抗がん剤で標的としてきた3つのマーカーのいずれも持たない悪性腫瘍であるため、このように呼ばれている。積極的な化学療法と手術を行っても、これらの患者（世界中で乳がんと診断される人の約15%を占める）の予後は比較的悪い。特に免疫療法は、乳がんが体内の樹状細胞の働きを阻害する傾向があるため、失敗することが多い。樹状細胞は、疑わしい物質のかけらをかき集めて免疫システムの本部に持ち帰り、新たな敵として導入する、動き回る分子スパイである。体が何を攻撃すべきか分からない場合、その力を高めてもほとんど役に立たない。

そのため、レディ氏は樹状細胞の機能を回復させる方法を見つけ出そうとしている。医師であり科学者でもある彼女は、比較的新しいアプローチを採用しており、それを「ベッドサイドからベンチへ、そしてまたベッドサイドへ」と表現している。彼女はクリニックで患者を治療し、研究室で試験管内実験やマウス実験を行い、独自の臨床試験を設計して管理している。この医師であり科学者でもある方法により、正のフィードバックループが実現する。レディ氏は自分の患者から切除した腫瘍を分析して、治療が効いているかどうかを評価できる。その後、同じ癌細胞で新薬をテストできる。有望な戦術が見つかったら、安全性、投与量、タイミングなどをテストする臨床試験を設計できる。どの段階でも、学んだことを研究や患者の治療に活かすことができる。

この循環戦略により、レディ氏は現在トリプルネガティブ乳がんに対して試験している3つの薬剤の組み合わせにたどり着いた。樹状細胞の増殖を刺激するタンパク質であるFlt3リガンド、これらの細胞や他の細胞を活性化する化学物質、そして標準的な化学療法剤であるアントラサイクリンである。マウスでは、この3剤により乳がんの腫瘍が化学療法単独よりも少なくとも50%小さくなった。「実際に数匹のマウスを治しました」とレディ氏は言う。人間に対するこの治療法の安全性と有効性を調べる第1相臨床試験が今年初めに患者の登録を開始した。

新しいがん治療の問題点をすべて解決し、FDA の承認に至るハードルをクリアするには何年もかかることがありますが、レディの多面的な戦略により、このプロセスは可能な限り効率化されるはずです。そうすることで、8 年以上前にがん治療を専門に始めて以来、彼女が見据えてきた変革を実現できるようになります。MD アンダーソンがんセンターのフェローとして、レディは免疫療法の臨床試験で黒色腫患者と協力し、この治療法の新たな可能性を直接目にしました。「私たちは、数か月以内に亡くなるはずだった患者に 10 年の猶予を与えていました」と彼女は言います。「[トリプルネガティブ乳がん] でそこに到達できるという希望だけが、私をこの道へと導きました。」 —MG

インターネットの脱炭素化

モハマド・ハジエスマイリ：マニング情報・コンピュータサイエンス学部助教授、マサチューセッツ大学アマースト校ジンジ・グオ

私たちが知っているインターネットは、クラウド（すべての電子メール、Zoom、Instagram の投稿が通過する幽玄な空間）と切り離せないものです。しかし、多くの人がよく知っているように、この漠然とした概念は、遠隔地でデータを処理して保存する広大な倉庫によって地球に固定されています。それらのエネルギー需要は膨大で、指数関数的に増加しています。あるモデルでは、2010 年のわずか 3 % から、2030 年までに世界の電力の最大 13 % がクラウドで使用されると予測されています。マサチューセッツ大学アマースト校の情報科学およびコンピューターサイエンスの助教授である Mohammad Hajiesmaili 氏は、コンピューティング効率の向上は状況の改善に役立っていますが、それらの改善はセンターの環境への影響をほとんど減らしていません。

「電力供給が燃料源から来ている場合、それは炭素を最適化したものではありません」とハジエスマイリ氏は説明します。しかし、再生可能エネルギーは太陽と風力に依存しているため不安定であり、特定の場所でしか収穫されないため地理的に制約があります。これがハジエスマイリ氏が解決しようとしている難問です。データセンターを24時間365日、炭素フリーのエネルギーで稼働させるにはどうすればよいのでしょうか。

答えは、ゼロカーボン目標を中心にエネルギー使用を組織化するシステムを設計することです。いくつかのアプローチが進行中です。最も単純なのは、再生可能エネルギーの利用可能性に合わせてコンピューティングタスクをスケジュールするスキームを使用することです。しかし、明るい日光や突風が予測できないこと、そしてクラウドが休まないという事実を考えると、この解決策だけでは機能しません。もう 1 つの戦略は「地理的負荷分散」です。これは、クリーン電力へのローカルアクセスに基づいて、タスクを 1 つのデータセンターから別のデータセンターに移動するものです。この戦略にも欠点があります。データを 1 つの場所から別の場所へ転送するには依然としてエネルギーが必要であり、「注意しないと、このオーバーヘッドがかなり大きくなる可能性があります」と Hajiesmaili 氏は指摘します。

理想的な解決策であり、最近の彼の研究の多くの焦点となっているのは、データセンターに再生可能エネルギーを蓄え、夜間などに利用できるように予備として蓄えるバッテリーを装備することです。「グリッドの炭素強度が高いときはいつでも」と彼は言います。「地元の高炭素エネルギー源を消費するのではなく、バッテリーから放電するだけです。」データセンターに完全に電力を供給するのに十分な大きさや価格のバッテリーはまだ存在していませんが、ハジエスマイリはすでに、炭素最適化を指針として、将来のデバイスの充電と放電を制御するアルゴリズムを開発しています。この「炭素を考慮した」バッテリーの使用は、ハジエスマイリがクラウド設計を全面的に見直す必要があると考える多くの方法の1つにすぎません。最終的には、システム全体が炭素の使用を最優先にするようにシフトする必要があります。

大手テクノロジー企業のほとんどは、今後数十年でカーボンニュートラル（マイクロソフトの場合はマイナス）になることを約束しています。これまで、これらの企業は物議を醸すオフセットクレジットを購入することでこれらの目標を追求してきましたが、カーボンインテリジェントコンピューティングへの関心が高まっています。たとえば、Google はすでに地理的負荷分散を使用しており、ハジエスマイリ氏の意見を取り入れて微調整を続けています。また、クラウドコンピューター企業 VMWare は独自のカーボン削減プロジェクトを進行中です。しかし、ハジエスマイリ氏の見解では、コンピューティングによる脱炭素化という新興分野は、インターネットをはるかに超えた用途があります。農業、交通、住宅など、社会のあらゆる側面が、いつか同じアプローチを通じてその使用を最適化できるようになります。「これはほんの始まりに過ぎません」と彼は言います。「これは大きなものになるでしょう。」 —ヤスミンタヤグ

野生生物が気候変動にどのように適応するかを予測する

レイチェル・ベイ：カリフォルニア大学デービス校進化生態学助教授デビッド・スリファー/カリフォルニア大学デービス校

進化生物学者は、通常、過去に起こった変化について、数千年から数百万年というスケールで考えます。一方、保全生物学者は、現在の野生生物の個体群のニーズに焦点を当てる傾向があります。温暖化が進む世界では、すでに 10,000 種を超える種が絶滅の危機に直面しており、これらの分野には重大なギャップが残っています。どの動物が適応できるか、どのくらいの速さで適応できるか、そして人間がどのようにして動物を最も効果的にサポートできるかはわかりません。

こうした疑問に対する答えは、確かなデータではなく、大まかな一般論に基づくことが多い。カリフォルニア大学デービス校の進化生物学者レイチェル・ベイ氏は、危機に瀕する種が今後数十年でどのように進化するかについて具体的な予測を立てるのに役立つ可能性のあるアプローチを開発した。「保全の問題に進化論を持ち込むというのは、実に斬新なことです」とベイ氏は言う。

ベイ氏の研究の中心的な前提は、よくある盲点を取り上げている。気候変動が特定の生物にどのような影響を与えるかについての推測では、その生物すべてが生息地の変化に同じように反応すると想定されることが多い。実際、種が生き残れるかどうか、また生き残れるかどうかは、まさに個体間の差異によって決まるとベイ氏は指摘する。

博士論文の研究で彼女が調べた造礁サンゴを例に挙げよう。造礁サンゴは海洋温暖化によって最も絶滅の危機に瀕している生物の一つと考えられているが、その一部はすでに他の生物よりも高温の海域に生息している。ベイ氏は、ミドリイシサンゴの耐熱性に関連する遺伝子を特定し、冷水域の個体群におけるそのDNAの普及率を測定した。そこから、さまざまな気候変動シナリオ下で自然選択が遺伝子プールをどのように変化させるかをモデル化することができた。2017年にScience Advancesに発表された彼女の研究結果は大きな反響を呼んだ。データによると、冷水域のサンゴは、2050年までに世界の炭素排出量が減少し始めれば、実際に温暖化に適応できる。もし減少しないか、これまでのように加速し続ければ、見通しは暗いものとなる。

ベイ氏はサンゴやその他の海洋生物に関する研究を続けてきたが、その手法を陸生動物にも応用している。2017年、UCLAの同僚であるクリステン・ルーグ氏と行った研究により、南西部に生息するヤナギヒタキの亜種を米国の絶滅危惧種リストに残すべき根拠が強化された。この種は全体として個体数が多く、繁殖範囲は米国の大半とカナダ南西部に広がっているが、南カリフォルニア、アリゾナ、ニューメキシコに生息する亜種は生息地の減少に悩まされている。科学者らは、砂漠に生息するこの鳥が遺伝的に独立しており、独自のリストに載せるに値するだけでなく、その個体群の個体が独自の遺伝子を持っており、それが定期的に華氏100度を超える気温に耐える能力と関連している可能性が高いことを実証した。全個体群の0.1％未満に過ぎないこの小さな亜種を保護することは、種全体の存続に役立つ可能性がある。

こうした具体的で将来を見据えた決定こそ、ベイ氏が不確実な未来に直面している他の野生生物のために実現したいと望んでいることだ。最近の他の研究では、キイロアメリカムシクイ、アナハゼハチドリ、太平洋沿岸に生息するフクロウカサガイと呼ばれる巻貝が気候変動に応じて生息域を変える可能性に焦点を当てている。「この空想的な目標は、管理に使用できる進化予測を立てることです」とベイ氏は言う。 —MG

免疫システムをゼロから構築する

ジョン・ブレイゼック：ジョージア工科大学化学・生体分子工学部助教授提供：ジョン・ブレイゼック

新たな病原体が侵入すると、免疫系は一連の抗体を血流に放出する。これは、スパゲッティを壁に投げて何がくっつくかを見るのと同じことだ。これらのタンパク質のほとんどは侵入者を無力化するのに十分な働きをするが、貴重な少数のタンパク質は致命的な精度で狙いを定める。科学者がこれらの致死因子をより早く特定し、再現できればできるほど、病気を克服する能力が向上する。一例を挙げると、抗体療法はCOVID-19に感染した多くのリスクのある患者を助けた。しかし、体の自然な反応を研究する上での大きな課題は、研究するためには人々が病気にならなければならないことだ。

ジョージア工科大学化学・生物医学工学部のジョン・ブレイゼックは、回避策を開発している。人体を抗体の「バイオリアクター」として使う代わりに、彼は微生物を使いたいと考えている。そうすれば、病原体に反応して発動するレパートリーを、たとえばフラスコやチップで研究できる。バイオテクノロジー界では過去20年間、「合成免疫システム」の夢が語られてきたが、ブレイゼックの研究はそれを現実のものにしようとしている。「100万種類の微生物を使って、人間の行動を模倣する100万種類の抗体を作ることができます」と彼は言う。

彼のキャリアは合成生物学から始まった。これは、微生物に遺伝子を注入して新しいことをさせる分野だ。具体的には、微生物にバイオ燃料を生産させようとした。しかし、健康増進への関心から、2013年に自分の専門知識を病気と闘うために使うことになり、抗体を作ることが知られているヒトの遺伝子を微生物に注入した。このように免疫システムを再現するのは途方もない仕事だ。「問題は、そのプロセスが何百万年も最適化されてきたため、実現が非常に難しいことです」と彼は説明する。

それでも、彼のチームはこの研究の将来を支える基礎的な進歩を遂げている。最近、彼らは抗体 DNA を微生物に挿入した後、それを効率的に変異させる方法を見つけ出した。これは、特定の病原体にさらに強く結合する抗体を選択するのに役立つだろう。このプロセスは、免疫システムが体内の抗体工場である B 細胞を使用して、最も強力な防御力を生み出すタンパク質を自ら選択する方法を模倣するものである。

合成免疫システムの構築は、ブレイゼックが免疫力を強化するために行っていることの半分に過ぎません。残りは、がん細胞の防御を阻止する手段を設計する博士研究員時代の研究に基づいています。腫瘍は、邪魔しようとする免疫細胞を停止させる分子を分泌します。ブレイゼックは、テキサス大学オースティン校の元指導教官ジョージ・ジョージウとともに、それらの分子を無害化し、免疫システムが機能できるようにする酵素を発見しました。精密がん治療を専門とするイケナ・オンコロジー社は、2015年にこの酵素のライセンスを取得しました。これは、この種の酵素としては初めてのものです。ブレイゼックの研究のどちらの側面も、急成長している新しい分野の最前線にあり、彼は早期の反応に勇気づけられています。「免疫を設計する試みの価値と、それが病気と闘う方法、そして病気と直接闘う方法の理解にどのように貢献できるかを、人々が引き続き評価してくれることを願っています」と彼は言います。 —YT

小惑星近傍のフライバイで未来を探る

ダニエラ・メンドーサ・デラジュスティーナ：アリゾナ大学OSIRIS-APEX主任研究員、助教授ダニエラ・メンドーサ・デラジュスティーナ提供

2029年4月中旬、直径1,000フィートの小惑星アポフィスが地球に接近する時、世界中が注目するだろう。だが、アリゾナ大学の惑星科学者ダニエラ・メンドーサ・デラジュスティーナ氏は、誰よりも注意深く観察することになるだろう。彼女の視線は、この小惑星が人類の過去について何を明らかにするのか、そしてそれが人類の未来に何を意味するのかに集中するだろう。「世界を魅了するでしょう」と彼女は言う。2022年、NASAは彼女をOSIRIS-APEXミッションの主任研究者に任命した。このミッションでは、2020年に小惑星ベンヌのサンプルを採取したOSIRIS-ReX探査機がアポフィスを追跡することになる。

デラジュスティーナ氏は、昔から宇宙に興味があったわけではありませんが、南西部の砂漠地帯の澄み切った空を見つめる「頭のいい若者」として、多くの大きな疑問を抱きました。私たちはなぜここにいるのか？どうやってここにたどり着いたのか？コミュニティカレッジの天文学の授業が彼女の興味をそそりました。その後、大学の隕石コースを受講したことがきっかけで、後に OSIRIS-ReX の主任研究員となるダンテラウレッタ氏のもとで学部生として研究職を得ることになりました。デラジュスティーナ氏は「かなり早い段階で」、この研究環境が自分に合っていると悟りました。「人類の知識の限界を積極的に押し広げているのですから」。計算物理学の修士号を取得したことで、他の惑星の氷床に似たアラスカの氷床でフィールドワークを行うようになりました。最終的にアリゾナ大学に戻り、OSIRIS-ReX の画像処理に取り組みながら、地球科学 (地震学) の博士号を取得しました。

小惑星には、彼女が若い頃に抱いた大きな疑問に対する答えが隠されているという信念が、彼女を小惑星を隅々まで理解する原動力となっている。「小惑星はまさに太陽系形成の名残です」と彼女は言う。「まるで古代の遺物を見つけるようなものです」。リュウグウやエウロパのような、いわゆる炭素質小惑星は、氷などの揮発性物質を豊富に含み、生命の原動力となった水やアミノ酸がかつて地球にたどり着いた経緯を説明できるかもしれない。また、未来を垣間見せてくれるかもしれない。「特に地球近傍小惑星は、資源利用の大きな可能性を秘めています」とデラジュスティーナは言う。「しかし、いつかは小惑星が私たちを地球から追い出すかもしれません」

アポフィスは危険とは考えられていないが、地球と月の間の距離のおよそ 10 分の 1 の距離を通り過ぎる。「もし地球に脅威が迫ってきたら、その脅威を適切に軽減できるように『この物体の構造は何か』を理解する必要がある」とデラジュスティーナ氏は言う。デラジュスティーナ氏が指揮を執る OSIRIS-APEX プロジェクトは、この 7,500 年に一度のチャンスを利用して、惑星との接近が小惑星にどのような変化をもたらすかを研究する。たとえば、地球の潮汐力はアポフィスを「圧迫」すると予想されており、デラジュスティーナ氏はその引力を表面に設置した地震計で測定したいと考えている。

学部生の頃からデラジュスティーナ氏と仕事をしてきたローレッタ氏は、OSIRIS ミッションの次の段階を率いるよう彼女を指名するチャンスに飛びつきました。彼女は常に実験の設計に熱心で、将来小惑星を飛び回る宇宙飛行士の放射線リスクを測定するために OSIRIS-ReX に線量計を装備するという彼女の提案をローレッタ氏は真剣に検討しました。「彼女の決断力のあるリーダーシップは、この規模のプログラムでは稀で、非常に重要だ」と彼は付け加えます。万が一、宇宙の岩石が地球を脅かすようなことがあっても、彼女が舞台裏で働いているとわかれば安心です。 —YT

持続可能で公平な交通機関の実現

サミタ・サマラナヤケ：コーネル大学土木環境工学部助教授チャリッサ・キング・オブライエン

想像してみてください。火曜日の朝、電車に乗って仕事に行く予定です。駅まで歩くと 25 分かかるので、路線バスに乗ります。しかし、今日はバスが遅れていて、電車に間に合うように駅に到着しません。次のバスを待ちます。仕事に遅れてしまいます。

上司が厳格で、あなたが公共交通機関に頼っている場合、乗り継ぎを逃すと命取りになることがあります。これらは、コンピューター科学者から土木技師に転身したコーネル大学のサミタ・サマラナヤケ氏が解決を使命としている種類の問題です。彼は、さまざまな公共交通機関がよりシームレスに連携できるようにアルゴリズムを設計し、都市計画者が最も必要としている人々に利益をもたらす変更を行うのを支援しています。

コーネル大学に入学する前、サマラナヤケ氏はオンデマンドの自動運転車群の可能性など、アプリベースのライドシェアリングを数年間研究していた。2017年には、UberやLyftなどの企業が自動車を効率的に配車・共有すれば、都市部の渋滞への寄与を減らすことができるという影響力のある論文を共同執筆した。しかし、すぐに完全に自動車中心のソリューションに幻滅した。「お金に余裕のある人にとっては便利ですが」と同氏は言う。しかし、都市住民を効率的かつアクセスしやすい形で移動させるとなると、公共交通機関に勝るものはない。

そこでサマラナヤケ氏は、新しいテクノロジーを都市交通システムに最もうまく取り入れる方法、そしておそらく最も一般的な落とし穴のいくつかを解決する方法の調査を開始した。「ラストマイル問題」を例に挙げよう。これは、人口密集地の交通ハブから、遠く離れた住宅地など、人々が行かなければならない、それほど中心ではない場所まで人々を輸送するという課題である。こうした接続が迅速で信頼性が高くなければ、人々はそれを利用しないかもしれない。そして、人々が近隣のバス路線やその他のラストマイルサービスを利用していなければ、交通機関はバスの運行を増やすのではなく、そのサービスを削減する可能性があり、それが問題を悪化させるとサマラナヤケ氏は言う。

そこで、ライドシェアリング会社が開発した技術が役に立つとサマラナヤケ氏は言う。同氏は近年、公共交通機関からのリアルタイムデータとオンデマンド車両を配車するソフトウェアを統合するアルゴリズムを設計した。これにより、交通当局は車両を派遣して集団をピックアップし、乗り継ぎに間に合うように通勤ハブまで届けることができるようになる。

このアプローチは「マイクロトランジット」として知られ、パンデミック関連の遅延の後、今年初めにシアトルのキング郡メトロとの試験プロジェクトが開始された。アプリベースのライドシェアバンを使用して、シフト勤務者や市郊外に住む人々を地域の鉄道路線まで送迎する。成功を測るには時期尚早だが、サマラナヤケは、良い代替手段があまりない通勤者の一部から熱烈な支持を得ている。

これは、彼のもう一つの目標、つまり、交通資源がどれだけ公平に配分されているかを定量化するより良い方法を見つけること、そして都市計画者が最終的に、より効率的に多くの人々に届く新しいシステムを設計できるようにすることを示唆している。この社会正義の要素は、自動運転車のような派手な技術には通常、資金がより豊富であるにもかかわらず、サマラナヤケが公共交通機関の開発に取り組み続ける動機となっている。

状況は変わりつつある。近年、サマラナヤケ氏とその協力者は、ビジョンの実現のために米国エネルギー省と国立科学財団からおよそ 500 万ドルの資金を受け取っている。「研究の観点から見ると、交通機関は『クール』ではありません」とサマラナヤケ氏は認めている。「しかし、環境的に持続可能で公平な交通システムへの唯一の道は、交通機関なのです」 —MG

神経変性疾患の根源を探る

シャンテル・エヴァンス：デューク大学細胞生物学助教授ジェフ・フスコ / HHMI

高校で生物学を学んだ人なら誰でも、ミトコンドリアが細胞の原動力であることを知っています。これらの細胞小器官は糖をエネルギーに変換する役割を担っているのは事実ですが、熱の生成、カルシウムの貯蔵と輸送、細胞の成長と死の調節など、あまり評価されていない仕事も数多く担っています。ここ数十年、研究者はこれらの機能の衰えが特定のがんや心臓病の発症と関連していると考えています。

しかし、認知症、パーキンソン病、筋萎縮性側索硬化症などの病気に関しては、デューク大学の細胞生物学者、シャンテル・エバンス氏は、ニューロンに特に注目するべき時だと考えている。「ミトコンドリアは、ほぼすべての神経変性疾患に関係しています」とエバンス氏は言う。ニューロンが機能不全のミトコンドリアに対処する方法を解明することで、彼女の研究は、現在治療不可能な多くの病気を治療できる可能性を切り開く可能性がある。

エバンス氏の研究は、ニューロンにおけるミトファジーと呼ばれるプロセス（細胞が死んだミトコンドリアや機能不全のミトコンドリアを処理する方法）を理解することに焦点を当てている。脳細胞が独自の方法で細胞小器官を管理していると考えられる理由はたくさんある。まず、脳細胞は分裂して補充しないため、生まれたときに与えられた約 800 億個のニューロンは一生持たなければならない。また、ニューロンは非常に長く伸びているため（最も長いものは背骨の下部から各足の親指の先まで伸びている）、各核は遠く離れた約 200 万個のミトコンドリアを監視し、維持しなければならない。

エバンスが2016年に調査を開始する前に、体や臓器の表面を覆う上皮細胞の研究で、パーキンソン病患者で変異していると思われる2つのタンパク質、PINK1とパーキンが特定されていた。しかし、ややこしいことに、研究室でマウスのこれらのタンパク質を無効にしても、パーキンソン病のマウスに相当する症状は現れなかった。エバンスにとって、それは神経マイトファジーのストーリーはもっと複雑に違いないことを示唆していた。

その方法を見つけるために、彼女は基本に立ち返った。彼女の研究室では、機能不全のミトコンドリアを処理するシャーレ内のげっ歯類の脳細胞を観察した。エバンズ氏は、成長培地から必須栄養素を除去することで、脳細胞が受けるストレスを徐々に高めていった。これは、強力な化学物質を使用してミトコンドリアを損傷する一般的なプロセスよりも、老化した人間の体内で起こることに近いと彼女は主張する。

彼女が2020年にeLife誌に発表した結果によると、損傷したミトコンドリアの除去には、上皮細胞よりもニューロンの方が大幅に時間がかかることがわかった。「[この遅さ]はニューロンに特有のものであるため、ニューロンをより脆弱な状態にする可能性があると考えています」と彼女は説明する。エバンズ氏はまた、最もよく知られている修復経路に関与する追加のタンパク質の特定にも貢献し、その作用はニューロンの細胞体、つまり本体では起こるが、軸索と呼ばれる糸状の延長部では起こらないことを突き止めた。それは、軸索内のミトコンドリアを維持している別の経路があることを意味する可能性があると彼女は言う。現在、彼女はその経路も特定し、理解したいと考えています。

これらの仕組みを徹底的に文書化するには時間がかかりますが、エバンス氏は、システムを図表化することで貴重な医療につながる可能性があると言います。「何が問題なのかがわかれば、より早く患者を診断し、より適切な治療オプションの開発に焦点を絞ることができるかもしれません」と彼女は言います。 —MG

人間の細胞すべてをマッピング

アーロン・ストリーツ：バイオエンジニアリング、計算生物学、生物物理学准教授、カリフォルニア大学バークレー校ミシェル・トラン/バークレー・コンピューティング、データサイエンス、社会

ヒトゲノム計画は、人間の遺伝子コードを完全に解明するのに 10 年を要しました。それ以来、配列解析技術の進歩により、遺伝学者が A、G、T、C を解析する速度が大幅に加速し、生物学者はより小さな範囲でより広い視野で物事を考えることができるようになりました。彼らは、人の DNA をすべて記述するのではなく、体内のすべての細胞の遺伝物質を特徴付けるヒト細胞アトラスを作成したいと考えています。これにより、「健康な人間の外見を示す参照マップ」が作成されます、とバイオエンジニアのアーロンストリーツは説明します。

個々の細胞をユニークにするものを理解するには、エピゲノムの洞察が必要です。これは、同じDNAの概念から多くの種類の細胞を作る方法を教えてください。。

エピゲノムを読むことは重要です、と街路は言います。なぜなら、健康な細胞が彼らがそうするように作用する理由を示すことに加えて、それは個々のものが干し草になって病気を引き起こす理由を明らかにすることができるからです。

セルの特徴づけは、非常に学際的な仕事であり、彼は芸術と物理学を専攻していますが、生物学の生物学的研究ではありませんでした。

最初は、今年の通りと彼の同僚は、ゲノムの特に神秘的な部分を読むための自然方法にプロトコルを発表しました。セルアトラスを構築するための非常に便利になるでしょう。

Now, Streets's lab is building new software to piece together the millions of sequences that comprise a single cell's genome. And, because mapping every single anatomical cell will require a fair bit of teamwork, the programs they create are shared freely with other scientists who can use the tools to make their own discoveries. “If you look at really huge leaps in progress in our understanding of how the human body works,” says Streets, “they correlate really strongly with advances in technology.” —YT

数字を計算して、アウトブレイクを先取りします

ダニエル・ラレモア：コロラド大学の浅川大学、コロラド大学ボルダー

2020年の初めに、ダニエル・ラレモアは、このウイルスが大したことであるかどうか疑問に思いました。

答えが明らかになったように、科学者と政策立案者がそれを先に進めることができるように、彼の病気の軌跡を予測しました。彼の研究室がどのように役立つかを尋ねるために新たなアウトブレイクを勉強しているイーグは言います。

ボルダーに来る前、ラーレモアはハーバード大学の公衆衛生学校のポスドク候補でした。そこでは、感染症の世界に最初に没頭しました。 S、しかし、それらの感度と特異性は、彼がそれらの初期の数ヶ月で共著して、感染率を推定する方法を説明しました。

パンデミックが着ていたので、彼の協力者は、「今から6か月後に尋ねる質問があります医学的に脆弱な人々は、「ダンは多くの異なる分野で膨大な量の仕事をしました。彼が行った貢献は本当に驚くべきことだと思います」と、ハーバード・チャン・スクール・オブ・パブリック・ヘルスの准教授であるヨナタン・グレッドは言います。

Covid-19の作業は、モデリングを介して在宅疾患の一般的な緩和策の開発をすでに支援しています。彼は、一般の人々がインフルエンザのような一般的な病気を確実に自己診断することができると想像しています

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