Fyysikko biologin ruumiissa
Jatkaakseen kasvavaa kiinnostustaan evoluutioon, jonka Murray uskoi olevan hedelmällisempää toteuttaa yhteistyössä fyysikoiden kanssa, Murray muutti UCSF:stä – lääketieteellisestä tiedekunnasta, jossa ei ollut fysiikan tai evoluutiobiologian osastoja – takaisin Harvardiin. ”Vaikka en opiskellut matematiikkaa virallisesti 16 ikävuoden jälkeen, kävi ilmi, että ajattelen samalla tavalla kuin monet fyysikkoystäväni”, hän selittää. Teoreettisten fyysikoiden tavoin hän sanoo haluavansa ymmärtää ”pelisääntöjä”. ”Kun olin jatko-opiskelija, oli huono tapa kysyä, miksi asiat toimivat niin kuin toimivat. Piti keskittyä mekanismeihin”, Murray sanoo. ”Mutta itse asiassa ’miksi’ muokkaa usein tärkeällä tavalla ’miten’.”
Tänään suuri osa Murrayn työstä keskittyy hiivaan ja siihen, miten se reagoi ympäristön muutoksiin. ”Lähes varmasti niiden reaktiot liittyvät niiden aiempaan historiaan ja oppimisen evolutiiviseen vastineeseen”, Murray sanoo. Murrayn laboratorion fyysikot työskentelevät yhteistyössä Harvardin fyysikon David Nelsonin kanssa käsitelläkseen kysymyksiä, jotka koskevat muun muassa sitä, miten eliöpopulaatiot, kuten hiiva, laajenevat tilassa ja ajassa, voimia, jotka kontrolloivat näitä laajenemisia, ja tekijöitä, jotka johtavat tai estävät populaatioiden monipuolistumisen laajenevilla rajoilla.
”Uskon, että suuri osa biologisen tutkimuksen tulevaisuudesta on sellaisten tutkijoiden käsissä, jotka hallitsevat sekä kokeen että teorian”, Murray sanoo. ”Toivon siis, että fysiikasta tulevat opiskelijat ja postdocit, joilla on vahva teoriakoulutus ja jotka nyt opettelevat kokeiden tekemistä, ovat huomisen uljaita uusia olentoja.”
Tällä hetkellä Murrayn päätutkimuskohteena on selvittää, voivatko hän ja hänen kollegansa pakottaa hiivan laboratoriossa kehittämään uusia ominaisuuksia. Eräässä tutkimuksessa käsiteltiin kysymystä siitä, miten ja miksi yksisoluiset organismit liittyivät yhteen muodostaen monisoluisia rykelmiä (9). Murray ja työtoverit (9) lähtivät liikkeelle ajatuksesta, että diffuusion fysiikan ansiosta solut voivat hyötyä naapurisoluista. Yksittäinen solu, joka kelluu itsekseen ja käyttää entsyymejä muuttamaan ympäristönsä proteiineja ravinteiksi, voi nimittäin saada vain pienen osan näistä ravinteista. Jos solu on kuitenkin kiinni muutamassa naapurissaan, se imee itse tuottamiensa ravintoaineiden murto-osan lisäksi myös jokaisen naapurinsa tuottamia ravintoaineita. Itse asiassa Murray ja työtoverit (9) osoittivat, että kun ravinteita on niukasti, hiivan kasautuminen antaa sille etulyöntiaseman yksittäisiin soluihin nähden, mikä viittaa siihen, että resurssien jakaminen on ollut monisoluisen elämän evoluution liikkeelle paneva tekijä.
Vaikka fysiikka tarjoaa perustan monille Murrayn tutkimuksille, Feynmanin teoriaan perustuva synteettinen biologia antaa hänelle tarvittavat työkalut. Murrayn virkaanastujaisartikkelissa hän käytti synteettistä biologiaa käsitellessään ajatusta siitä, miten ja miksi monisoluiset organismit kehittivät erilaistuneita soluja. Murray ja jatko-opiskelija Mary Wahl halusivat vertailla kahta reittiä tähän päämäärään: ensimmäisessä solut kehittyisivät ensin muodostamaan rykelmiä ja erilaistuisivat myöhemmin, kun taas toisessa solut erilaistuisivat ensin, tukisivat toisiaan vaihtamalla ravinteita ja liittyisivät toisiinsa vasta myöhemmin. Wahl ja Murray (1) kehittivät paakkuuntuvia hiivakantoja, joiden avulla he pystyivät suoraan vertailemaan näitä kahta evoluutiovaihtoehtoa. He osoittivat, että monisoluisuuden jälkeen tapahtuva erilaistuminen on vakaampi strategia, koska se kestää paremmin mutanttien tunkeutumista (1). Murray on varovainen sanoessaan, että tällaiset havainnot eivät todista, että evoluutio olisi tapahtunut tällä tavalla. Pikemminkin ”evoluutio on voinut tapahtua tällä tavalla.”
Murray luo edelleen organismeja, joiden avulla hän voi tutkia mekanismeja, joiden avulla uudet ominaisuudet kehittyvät. Hän ja tohtorikollega Gregg Wildenberg esimerkiksi loivat menestyksekkäästi hiivaa, joka kehittyi 24 tunnin oskillaattoriksi, joka vaihtelee matalasta fluoresenssista korkeaan fluoresenssiin vuorokauden aikana sisäisen kellon tapaan (10). Murray toivoo voivansa käyttää laboratoriossa oppimaansa evoluutiosta ymmärtääkseen paremmin luonnonvalintaa. Hän toivoo myös voivansa selvittää, johtuvatko ominaisuudet useammin mutaatioista, jotka häiritsevät geenejä, kuin hitaasta, asteittaisesta prosessista, joka parantaa geenejä ajan myötä. ”Olemme todella kiinnostuneita tarkastelemaan evoluutiota luonnossa ja yrittämään löytää esimerkkejä, joissa ominaisuudet ovat kehittyneet tarpeeksi hiljattain, jotta voimme kysyä, onko se tapahtunut mutaatioiden kautta, jotka tuhosivat geenien toiminnan vai paransivat geenejä”, Murray sanoo.