Fyzik v těle biologa
Aby se Murray mohl věnovat rostoucímu zájmu o evoluci, o němž se domníval, že by byl plodnější ve spolupráci s fyziky, přestoupil z UCSF – lékařské fakulty bez katedry fyziky nebo evoluční biologie – zpět na Harvard. „I když jsem se matematice po šestnáctém roce věku formálně nevěnoval, ukázalo se, že přemýšlím způsobem, který je dost podobný mnoha mým přátelům fyzikům,“ vysvětluje. Stejně jako teoretičtí fyzici si prý přeje pochopit „pravidla hry“. „Když jsem byl postgraduálním studentem, bylo špatným zvykem ptát se, proč věci fungují tak, jak fungují. Měli jste se soustředit na mechanismy,“ říká Murray. „Ale ve skutečnosti je to, ‚jak‘, často důležitým způsobem formováno tím, ‚proč‘.“
Dnes se Murray ve své práci z velké části zaměřuje na kvasinky a jejich reakce na změny prostředí. „Téměř jistě jejich reakce souvisí s jejich minulou historií a evolučním ekvivalentem učení,“ říká Murray. Fyzikové v Murrayově laboratoři spolupracují s harvardským fyzikem Davidem Nelsonem na řešení otázek, které zahrnují způsob, jakým se populace organismů, jako jsou kvasinky, rozšiřují v prostoru a čase, síly, které toto rozšiřování řídí, a faktory, které vedou k diverzifikaci populací na rozšiřujících se hranicích nebo jí brání.
„Myslím, že velká část budoucnosti biologického výzkumu leží v rukou vědců, kteří zvládnou jak experiment, tak teorii,“ říká Murray. „Doufám tedy, že právě studenti a postdoktorandi, kteří přicházejí z fyziky se silným teoretickým vzděláním a nyní se učí dělat experimenty, budou těmi novými odvážnými tvory zítřka.“
V současné době se Murray zabývá především zjišťováním, zda on a jeho kolegové mohou v laboratoři donutit kvasinky k vývoji nových vlastností. V jedné studii se zabýval otázkou, jak a proč se jednobuněčné organismy spojují do mnohobuněčných shluků (9). Murray a jeho spolupracovníci (9) vyšli z myšlenky, že fyzika difuze umožňuje buňkám využívat sousední buňky. Samostatně plovoucí buňka, která používá enzymy k přeměně bílkovin ve svém okolí na živiny, totiž může zachytit jen malou část těchto živin. Pokud je však buňka přilepena k několika svým sousedům, absorbuje nejen část živin, které sama vytváří, ale také živiny vytvořené každým z jejích sousedů. Ve skutečnosti Murray a jeho spolupracovníci (9) ukázali, že při nedostatku živin poskytuje shlukování kvasinkám výhodu oproti jednotlivým buňkám, což naznačuje, že sdílení zdrojů bylo hnacím faktorem evoluce mnohobuněčného života.
Přestože základem mnoha Murrayových studií je fyzika, syntetická biologie, založená na Feynmanově teorii, mu poskytuje potřebné nástroje. V Murrayho inauguračním článku se pomocí syntetické biologie zabýval myšlenkou, jak a proč se u mnohobuněčných organismů vyvinuly diferencované buňky. Murray a postgraduální studentka Mary Wahlová chtěli porovnat dvě cesty k tomuto cíli: v prvním případě by se buňky nejprve vyvinuly tak, že by tvořily shluky, a diferencovaly by se až později, zatímco v druhém případě by se nejprve diferencovaly, vzájemně se podporovaly výměnou živin a teprve později by se vzájemně sdružovaly. Wahl a Murray (1) vytvořili kmeny shlukujících se kvasinek, které jim umožnily přímo porovnat tyto dvě evoluční možnosti. Ukázali, že diferenciace po vícebuněčnosti je stabilnější strategií, protože je odolnější vůči invazi mutantů (1). Murray opatrně říká, že tato zjištění nedokazují, že evoluce proběhla právě tímto způsobem. Spíše „evoluce mohla proběhnout tímto způsobem.“
Murray pokračuje ve vytváření organismů, které mu umožňují studovat mechanismy, jimiž se vyvíjejí nové vlastnosti. Například spolu s postdoktorandem Greggem Wildenbergem úspěšně vytvořil kvasinky, u nichž se vyvinul 24hodinový oscilátor, který během 24 hodin fluktuuje od nízké fluorescence k vysoké fluorescenci, podobně jako vnitřní hodiny (10). Murray doufá, že to, co se dozví o evoluci v laboratoři, využije k lepšímu pochopení přírodního výběru. Doufá také, že se mu podaří zjistit, zda vlastnosti vznikají častěji v důsledku mutací, které narušují geny, než v důsledku pomalého, postupného procesu, který geny v průběhu času zlepšuje. „Opravdu se zajímáme o evoluci v přírodě a snažíme se najít příklady, kdy se znaky vyvinuly dostatečně nedávno, abychom si mohli položit otázku, zda to bylo mutacemi, které zničily funkci genů, nebo geny zlepšily,“ říká Murray.
.