2023年12月2日-3日，2023丘成桐中学科学奖总决赛在清华大学举行。赛事自今年4月5日开启报名以来，共有来自中国内地近30个省市自治区，中国香港、澳门地区，以及美国、加拿大、新加坡、印度、澳大利亚等国家的2300余支团队报名参加，提交有效论文1093篇。10月-11月，经过各分赛区严格评审及多轮选拔，92支中学生团队胜出，角逐全球总决赛。其中，中国内地赛区团队75支、亚洲赛区团队12支、北美赛区团队5支。

总决赛以面试答辩的形式举行，每个团队答辩时间为30分钟，*括演示研究内容、评委问答、指导教师介绍指导情况3个环节。在我校课程与教师发展中心、科技教育办公室的指导下，环境工程教练组和科技创新教练组的教练们利用周末及寒暑假的时间指导学生研发科技项目，最终我校汤子嘉同学的科技项目《基于风格迁移变分自编码器的单细胞扰动预测》获得2023丘成桐中学科学奖总决赛计算机优胜奖(第六名)和中国内地分赛区计算机一等奖，刘洪宇同学的科技项目《拟除虫菊酯类农药降解酶固定化及其应用研究》获得2023丘成桐中学科学奖中国内地分赛区生物二等奖。

学校指导老师：胡正勇、王剑、曾杰、黄颖、宣泽宵、幸斌、程天放

校外指导老师：宋乾乾、陈佳志

一、获奖项目简介

1.基于风格迁移变分自编码器的单细胞扰动预测

单细胞扰动能够衡量单个细胞对于某种药物或者治疗手段的刺激后基因表达值的变化程度。由于细胞样本有限，通过传统生物实验方法观察单细胞扰动需要相对苛刻的条件，并且需要更高的成本。因此，在计算生物学中，通过统计方法准确预测细胞扰动是一个重要的课题。在之前的研究方法中，主要的统计方法可以分成三个方向：基于图结构的算法、基于稀疏向量的算法和基于神经网络的算法。这些方法需要通过特征工程，但提取的特征往往只针对单一的细胞或者药物刺激;或者通过神经网络的黑盒模型隐式地提取细胞特征，导致提取的特征同时混合了不同细胞类型的差异和扰动前后的基因表达的差异。因此，本文提出scPerb，一个新型的神经网络方法，通过引入风格迁移的方式，显示的区分细胞类型的特征和基于扰动的特征。scPerb基于变分自编码器，把单细胞的数据映射到隐空间中，在隐空间中将提取的特征解耦成基于细胞类型的特征和基于扰动的特征，最后把基于扰动的特征迁移到特定的细胞类型中。相对于现有的方法，scPerb展现出更卓越的性能和更高的准确性。在三个不同的数据集中，scPerb R2都达到最优，分别达到了0.98、0.98和0.96。

2.拟除虫菊酯类农药降解酶固定化及其应用研究

农药作为农业生产中必不可少的生产资料，对农业发展和人类粮食供给作出了巨大贡献。拟除虫菊酯类农药被广泛应用于农业生产中害虫的防治。然而随着不合理和不规范的使用，与其相关的残留及危害问题也日渐凸显。微生物降解被认为是环境污染物治理最有效、最可行和最可靠的方法。本研究采用富集驯化法从土壤中筛选到一株高效降解拟除虫菊酯类农药的细菌-贝莱斯芽孢杆菌X1，在基础盐培养基中共培养7d后，该菌株对50mg/L氯氰菊酯的降解率为90.2%。通过细菌全基因组测序分析，挖掘并克隆得到一个羧酸酯酶基因pnbA，该基因全长1452bp，通过构建原核表达载体pET-32a(+)-pnbA，经IPTG诱导后在大肠杆菌BL21中进行表达和纯化，PnbA酶在25℃-45℃和pH 5.5-8.5条件下对氯氰菊酯表现出较好的降解活性。以海藻酸钠-聚乙烯醇为*埋载体固定降解酶PnbA用于模拟氯氰菊酯废水降解，固定化酶最适投加量为3g，在pH为7.0、30℃条件下反应48h，氯氰菊酯的降解率为52.06%，固定化酶经过5次重复使用仍保持了50%的相对酶活，改善了游离酶稳定性差、易失活和与底物难分离等问题，为环境污染物的原位生物强化修复提供理论依据。

二、获奖学生感言

1.汤子嘉

我很荣幸获得了2023丘成桐中学科学奖计算机组优胜奖**名和全国一等奖。在这次比赛过程中，我获益良多，我的能力和视野都得到了极大的提升。感谢我的导师胡正勇主任，他的教导加深了我对科学常识和科研中常用的工具的理解。

从疫情开始，我就在思考一个问题：药物和疫苗是如何研发的?为什么直到病毒爆发一两年后疫苗才会进入市场中售卖?原来，药物在注射进人体之前有一个极其严苛的检验过程来验证注射之后可能的结果。这个过程需要大量的人力物力，并且耗时很长，减缓了药物的研发进度。于是我就开始思考：是否可以用AI人工智能的方式来帮助研究人员更好地预测药物的作用呢?

我查阅了许多文献，最终我选择了使用VAE+style-transfer这一方法。这个方法能够精准地区分对照组和实验组之间的差异，以帮助科研人员更好地预测药物的作用。整个研究过程非常曲折和艰难，由于深度学习的方法各有优劣，并且在生物信息这一领域中“过拟合的问题十分常见”，因此许多现有的模型表现都不尽人意。在这里，我想要特别感谢我的指导老师胡正勇主任，他在困境中给我指明了一个方向：可以引入style-transfer的方法将实验组的风格迁移到对照组。最终我们成功将VAE和style-transfer这两个方法融合在一起，并让预测的准确率一度达到了99.5%。

从确定选题到阅读文献进行试验，再到搭建模型，最后撰写论文、参加答辩，我一次又一次地超越了自己，完成了以前认为不可能完成的任务，取得了优异的成绩。

2.刘洪宇

除了知识文化的学习，我希望再通过一些方式，去尝试探究现阶段环境面临的问题以及任何可能的改善方式。一次偶然的机遇让我开始思考农药残留对环境带来的污染，于是我通过一系列的实验发明出了一种能有效降解残留农药且不会带来二次污染的固定化酶，并参加了丘成桐中学科学奖比赛。

在这个过程中，我学到了很多，比如科学研究的方法和逻辑、科技论文的撰写方法等，掌握了相关的实验操作，如田间采样，土壤微生物分离，观察和鉴定，农药残留检测分析，基因克隆、蛋白表达纯化和固定化等。通过实验我也受到了启发，生物科学和技术的发展，可以采用高科技手段对自然界微生物进行基因编辑等，还可以探索更高效的酶对其他环境污染物的降解。我从中体会到了要想实现一项研究成果需要付出不懈地努力和不断地追求，尤其是在科技创新日新月异的今天，要取得有意义的研究成果，需要持之以恒地学习和进步，以应对未来不同的挑战和机遇。

希望有更多省实科技学子

能用自己的实际行动

继续秉承科技创新精神

让科学的种子在自己的心中生根发芽

为未来国家的科学发展贡献青春力量!