Physiker im Körper eines Biologen
Um seinem wachsenden Interesse an der Evolution nachzugehen, von dem Murray glaubte, dass es in Zusammenarbeit mit Physikern fruchtbarer sein würde, wechselte er von der UCSF – einer medizinischen Hochschule ohne Abteilungen für Physik oder Evolutionsbiologie – zurück nach Harvard. „Obwohl ich bis zu meinem 16. Lebensjahr keinen formellen Mathematikunterricht hatte, stellte sich heraus, dass ich auf eine Art und Weise denke, die der vieler meiner Physikerfreunde sehr ähnlich ist“, erklärt er. Wie die theoretischen Physiker möchte er die „Spielregeln“ verstehen, sagt er. „Als ich ein Doktorand war, galt es als unhöflich, zu fragen, warum die Dinge so funktionieren, wie sie es tun. Man sollte sich auf die Mechanismen konzentrieren“, sagt Murray. „Aber tatsächlich wird das ‚Wie‘ oft auf wichtige Weise durch das ‚Warum‘ geprägt.“
Heute konzentriert sich ein Großteil von Murrays Arbeit auf Hefe und wie sie auf Veränderungen in der Umwelt reagiert. „Mit ziemlicher Sicherheit hängen ihre Reaktionen mit ihrer Vorgeschichte und dem evolutionären Äquivalent des Lernens zusammen“, sagt Murray. Die Physiker in Murrays Labor arbeiten mit dem Harvard-Physiker David Nelson zusammen, um sich mit Fragen zu befassen, wie sich Populationen von Organismen wie Hefe in Raum und Zeit ausbreiten, mit den Kräften, die diese Ausbreitung steuern, und mit den Faktoren, die die Diversifizierung von Populationen an sich ausbreitenden Grenzen begünstigen oder verhindern.
„Ich glaube, dass ein großer Teil der Zukunft der biologischen Forschung in den Händen von Wissenschaftlern liegt, die sowohl das Experiment als auch die Theorie beherrschen“, sagt Murray. „Ich hoffe, dass die Studenten und Postdocs, die aus der Physik kommen und eine fundierte theoretische Ausbildung haben und nun lernen, wie man Experimente durchführt, die mutigen neuen Kreaturen von morgen sein werden.“
Zurzeit liegt Murrays Hauptinteresse an der Forschung darin, herauszufinden, ob er und seine Kollegen Hefe im Labor dazu bringen können, neue Eigenschaften zu entwickeln. Eine Studie beschäftigte sich mit der Frage, wie und warum sich Einzeller zu mehrzelligen Klumpen zusammenschließen (9). Murray und seine Mitarbeiter (9) gingen von der Idee aus, dass die Physik der Diffusion es den Zellen ermöglicht, von benachbarten Zellen zu profitieren. Tatsächlich kann eine einzelne Zelle, die allein schwimmt und Enzyme einsetzt, um Proteine in ihrer Umgebung in Nährstoffe umzuwandeln, nur einen kleinen Teil dieser Nährstoffe aufnehmen. Wenn eine Zelle jedoch an einigen ihrer Nachbarn klebt, nimmt sie nicht nur einen Teil der von ihr selbst erzeugten Nährstoffe auf, sondern auch die Nährstoffe, die von jedem ihrer Nachbarn erzeugt werden. Murray und seine Mitarbeiter (9) haben gezeigt, dass die Verklumpung von Hefezellen bei Nährstoffknappheit einen Vorteil gegenüber Einzelzellen darstellt, was darauf hindeutet, dass die gemeinsame Nutzung von Ressourcen ein treibender Faktor bei der Entwicklung von mehrzelligem Leben war.
Obwohl die Physik die Grundlage für viele von Murrays Studien bildet, gibt ihm die synthetische Biologie, die auf Feynmans Theorie basiert, die erforderlichen Werkzeuge an die Hand. In seinem Eröffnungsartikel ging Murray mit Hilfe der synthetischen Biologie der Frage nach, wie und warum mehrzellige Organismen differenzierte Zellen entwickeln. Murray und seine Doktorandin Mary Wahl wollten zwei Wege zu diesem Ziel vergleichen: Im ersten Fall würden sich die Zellen zunächst zu Klumpen entwickeln und sich erst später differenzieren, während sie sich im zweiten Fall zunächst differenzieren, sich gegenseitig durch den Austausch von Nährstoffen unterstützen und sich erst später miteinander verbinden würden. Wahl und Murray (1) stellten Stämme von Klumpenhefen her, mit denen sie diese beiden evolutionären Möglichkeiten direkt vergleichen konnten. Sie zeigten, dass die Differenzierung nach der Vielzelligkeit die stabilere Strategie ist, weil sie resistenter gegen das Eindringen von Mutanten ist (1). Murray weist darauf hin, dass diese Ergebnisse nicht beweisen, dass die Evolution auf diese Weise stattgefunden hat. Vielmehr „könnte die Evolution auf diese Weise stattgefunden haben“
Murray schafft weiterhin Organismen, die es ihm ermöglichen, die Mechanismen zu untersuchen, durch die sich neue Merkmale entwickeln. So haben er und sein Postdoktorand Gregg Wildenberg erfolgreich Hefe gezüchtet, die einen 24-Stunden-Oszillator entwickelt hat, der über 24 Stunden von einer niedrigen Fluoreszenz zu einer hohen Fluoreszenz schwankt, ähnlich wie eine innere Uhr (10). Murray hofft, das, was er im Labor über die Evolution lernt, nutzen zu können, um die natürliche Selektion besser zu verstehen. Außerdem möchte er herausfinden, ob Merkmale häufiger durch Mutationen entstehen, die Gene zerstören, als durch einen langsamen, schrittweisen Prozess, der Gene im Laufe der Zeit verbessert. „Wir sind wirklich daran interessiert, die Evolution in der natürlichen Welt zu untersuchen, um Beispiele zu finden, bei denen sich Merkmale erst vor kurzem entwickelt haben, so dass wir uns fragen können, ob dies durch Mutationen geschah, die die Funktion der Gene zerstörten oder die Gene verbesserten“, sagt Murray.