Fysiker i biologens krop
For at forfølge en voksende interesse for evolution, som Murray mente ville være mere frugtbar, hvis den blev udført i samarbejde med fysikere, flyttede Murray fra UCSF – et medicinsk fakultet uden afdelinger for fysik eller evolutionsbiologi – tilbage til Harvard. “Selv om jeg ikke har lavet matematik formelt efter 16-årsalderen, viser det sig, at jeg tænker på en måde, der minder meget om mange af mine fysikervenner”, forklarer han. Ligesom teoretiske fysikere siger han, at han ønsker at forstå “spillets regler”. “Da jeg var kandidatstuderende, var det dårlig stil at spørge, hvorfor tingene fungerede på den måde, som de gjorde. Det var meningen, at man skulle fokusere på mekanismerne,” siger Murray. “Men faktisk er “hvordan” ofte formet på vigtige måder af “hvorfor”.”
I dag fokuserer en stor del af Murrays arbejde på gær og på, hvordan den reagerer på ændringer i miljøet. “Det er næsten sikkert, at deres reaktioner er relateret til deres fortid og den evolutionære ækvivalent til læring”, siger Murray. Fysikerne i Murrays laboratorium arbejder sammen med Harvard-fysikeren David Nelson om at løse spørgsmål, der omfatter, hvordan populationer af organismer, som f.eks. gær, udvider sig i tid og rum, hvilke kræfter der styrer disse udvidelser, og hvilke faktorer der fører til eller forhindrer diversificering af populationer på ekspanderende grænser.
“Jeg tror, at en stor del af fremtiden for biologisk forskning ligger i hænderne på forskere, der kan beherske både eksperiment og teori,” siger Murray. “Så det er de studerende og postdocs, der kommer fra fysik med en stærk uddannelse i teori, og som nu lærer at lave eksperimenter, som jeg håber vil blive morgendagens modige nye væsener.”
For øjeblikket er Murrays vigtigste forskningsinteresser at finde ud af, om han og hans kolleger kan tvinge gær i laboratoriet til at udvikle nye egenskaber. I en af undersøgelserne har han taget fat på spørgsmålet om, hvordan og hvorfor encellede organismer slog sig sammen og dannede flercellede klumper (9). Murray og kolleger (9) startede med den idé, at diffusionens fysik gør det muligt for celler at drage fordel af naboceller. En enkelt celle, der flyder alene og bruger enzymer til at omdanne proteiner i sine omgivelser til næringsstoffer, kan nemlig kun opsamle en lille del af disse næringsstoffer. Hvis en celle derimod sidder fast til nogle få af sine naboer, optager den ikke blot en brøkdel af de næringsstoffer, som den selv skaber, men også de næringsstoffer, der skabes af hver af dens naboer. Faktisk viste Murray og kolleger (9), at når næringsstofferne er knappe, giver sammenklumpning gær en fordel i forhold til enkeltceller, hvilket tyder på, at deling af ressourcer var en drivkraft bag udviklingen af flercelligt liv.
Selv om fysikken danner grundlaget for mange af Murrays undersøgelser, giver den syntetiske biologi, der er baseret på Feynmans teori, ham de nødvendige værktøjer. I Murrays tiltrædelsesartikel brugte han syntetisk biologi til at tage fat på tanken om, hvordan og hvorfor flercellede organismer udviklede differentierede celler. Murray og ph.d.-studerende Mary Wahl ønskede at sammenligne to veje til dette mål: I den første ville cellerne først udvikle sig til at danne klumper og differentiere sig senere, mens de i den anden ville differentiere sig først, støtte hinanden ved at udveksle næringsstoffer og først senere knytte sig til hinanden. Wahl og Murray (1) fremstillede stammer af klumpende gær, som gjorde det muligt for dem at sammenligne disse to evolutionære muligheder direkte. De viste, at differentiering efter multicellularitet er en mere stabil strategi, fordi den er mere modstandsdygtig over for invasion af mutanter (1). Murray er forsigtig med at sige, at sådanne resultater ikke beviser, at evolutionen er foregået på denne måde. Snarere at “evolutionen kunne være sket på denne måde.”
Murray fortsætter med at skabe organismer, der giver ham mulighed for at studere de mekanismer, hvormed nye egenskaber udvikler sig. For eksempel har han og postdoc Gregg Wildenberg med succes skabt gær, der udviklede en 24-timers oscillator, der svinger fra lav fluorescens til høj fluorescens i løbet af 24 timer, svarende til et indre ur (10). Murray håber at kunne bruge det, han lærer om evolution i laboratoriet, til bedre at forstå naturlig udvælgelse. Han håber også at kunne fastslå, om egenskaber oftere stammer fra mutationer, der ødelægger generne, end fra en langsom, gradvis proces, der forbedrer generne over tid. “Vi er virkelig interesserede i at se på evolutionen i naturen for at forsøge at finde eksempler på, at egenskaber har udviklet sig for nylig nok til at spørge, om det var ved mutationer, der ødelagde genernes funktion eller forbedrede generne”, siger Murray.