Physicien dans un corps de biologiste
Pour poursuivre un intérêt croissant pour l’évolution qui, selon Murray, serait plus fructueux s’il était mené en collaboration avec des physiciens, Murray passe de l’UCSF – une école de médecine sans départements de physique ou de biologie de l’évolution – à Harvard. « Même si je n’ai pas fait de mathématiques formelles après l’âge de 16 ans, il s’avère que je pense d’une manière assez similaire à celle de beaucoup de mes amis physiciens », explique-t-il. Comme les physiciens théoriques, il dit vouloir comprendre les « règles du jeu ». « Lorsque j’étais étudiant diplômé, il était mal vu de demander pourquoi les choses fonctionnaient comme elles le faisaient. Vous étiez censé vous concentrer sur les mécanismes », explique M. Murray. « Mais, en fait, le « comment » est souvent façonné de manière importante par le « pourquoi » »
Aujourd’hui, une grande partie du travail de Murray se concentre sur la levure et la manière dont elle répond aux changements de l’environnement. « Il est presque certain que leurs réponses sont liées à leur histoire passée et à l’équivalent évolutif de l’apprentissage », explique Murray. Les physiciens du laboratoire de Murray travaillent en collaboration avec David Nelson, physicien de Harvard, pour s’attaquer à des questions telles que la façon dont les populations d’organismes, comme la levure, s’étendent dans l’espace et le temps, les forces qui contrôlent ces expansions et les facteurs qui conduisent ou empêchent la diversification des populations sur les frontières en expansion.
« Je pense qu’une grande partie de l’avenir de la recherche biologique est entre les mains de scientifiques qui peuvent maîtriser à la fois l’expérience et la théorie », dit Murray. « Ce sont donc les étudiants et les post-doctorants qui viennent de la physique, avec une solide formation en théorie, et qui apprennent maintenant à faire des expériences, qui seront, je l’espère, les nouvelles créatures courageuses de demain. »
À l’heure actuelle, les principaux intérêts de recherche de Murray consistent à déterminer si lui et ses collègues peuvent forcer la levure en laboratoire à développer de nouvelles propriétés. Une étude s’est attaquée à la question de savoir comment et pourquoi les organismes unicellulaires s’unissent pour former des amas multicellulaires (9). Murray et ses collègues (9) sont partis de l’idée que la physique de la diffusion permet aux cellules de bénéficier des cellules voisines. En effet, une cellule unique flottant seule et utilisant des enzymes pour convertir les protéines de son environnement en nutriments ne peut capter qu’une petite fraction de ces nutriments. En revanche, si une cellule est collée à quelques-unes de ses voisines, elle absorbe non seulement une fraction des nutriments qu’elle crée, mais aussi les nutriments créés par chacune de ses voisines. En fait, Murray et ses collègues (9) ont montré que, lorsque les nutriments sont rares, l’agglutination donne à la levure un avantage sur les cellules individuelles, ce qui suggère que le partage des ressources a été un facteur déterminant de l’évolution de la vie multicellulaire.
Bien que la physique constitue le fondement de nombreuses études de Murray, la biologie synthétique, basée sur la théorie de Feynman, lui fournit les outils nécessaires. Dans son article inaugural, Murray a utilisé la biologie synthétique pour aborder l’idée de savoir comment et pourquoi les organismes multicellulaires ont développé des cellules différenciées. Murray et Mary Wahl, étudiante diplômée, voulaient comparer deux voies pour arriver à cette destination : dans la première, les cellules évolueraient d’abord pour former des amas et se différencieraient plus tard, alors que dans la seconde, elles se différencieraient d’abord, se soutenant mutuellement en échangeant des nutriments, et ne s’associeraient entre elles que plus tard. Wahl et Murray (1) ont créé des souches de levure agglutinante qui leur ont permis de comparer directement ces deux possibilités d’évolution. Ils ont montré que la différenciation après la multicellularité est une stratégie plus stable, car elle est plus résistante à l’invasion par des mutants (1). Murray prend soin de préciser que ces résultats ne prouvent pas que l’évolution s’est produite de cette manière. Murray continue de créer des organismes qui lui permettent d’étudier les mécanismes par lesquels de nouveaux traits évoluent. Par exemple, lui et son collègue postdoctoral Gregg Wildenberg ont réussi à créer une levure qui a évolué vers un oscillateur de 24 heures, fluctuant d’une faible fluorescence à une forte fluorescence sur 24 heures, comme une horloge interne (10). Murray espère utiliser ce qu’il apprend sur l’évolution en laboratoire pour mieux comprendre la sélection naturelle. Il espère également déterminer si les caractères proviennent plus souvent de mutations qui perturbent les gènes que d’un processus lent et progressif qui améliore les gènes au fil du temps. « Nous sommes vraiment intéressés à examiner l’évolution dans le monde naturel pour essayer de trouver des exemples où les traits ont évolué assez récemment pour se demander si c’était par des mutations qui détruisaient la fonction des gènes ou amélioraient les gènes », dit Murray.