Fizikus egy biológus testében
Az evolúció iránti növekvő érdeklődése miatt, amely Murray szerint eredményesebb lenne, ha fizikusokkal együttműködve végezné, Murray az UCSF-ről – egy olyan orvosi egyetemről, ahol sem fizikai, sem evolúcióbiológiai tanszék nem volt – visszaköltözött a Harvardra. “Annak ellenére, hogy 16 éves korom után nem foglalkoztam matematikával hivatalosan, kiderült, hogy nagyon hasonlóan gondolkodom, mint sok fizikus barátom” – magyarázza. Azt mondja, az elméleti fizikusokhoz hasonlóan ő is szeretné megérteni a “játékszabályokat”. “Amikor végzős diák voltam, nem volt szép dolog megkérdezni, hogy miért működnek a dolgok úgy, ahogyan működnek. A mechanizmusokra kellett volna koncentrálni” – mondja Murray. “De valójában a “hogyan”-t gyakran fontos módon alakítja a “miért”.”
Most Murray munkájának nagy része az élesztővel és azzal foglalkozik, hogyan reagál a környezet változásaira. “Szinte biztos, hogy a reakcióik összefüggésben vannak a múltjukkal és a tanulás evolúciós megfelelőjével” – mondja Murray. Murray laboratóriumának fizikusai David Nelson harvardi fizikussal együttműködve olyan kérdésekkel foglalkoznak, mint például az, hogy az élőlények populációi, mint például az élesztő, hogyan terjeszkednek térben és időben, milyen erők irányítják ezeket a terjeszkedéseket, és milyen tényezők vezetnek vagy akadályozzák a populációk diverzifikációját a terjeszkedő határokon.
“Úgy gondolom, hogy a biológiai kutatás jövőjének nagy része olyan tudósok kezében van, akik a kísérletet és az elméletet egyaránt uralják” – mondja Murray. “Tehát azok a diákok és posztdoktorok, akik a fizikából jönnek, erős elméleti képzéssel, és most tanulják meg, hogyan kell kísérletezni, reményeim szerint ők lesznek a holnap bátor, új teremtményei.”
Murray fő kutatási területe jelenleg annak meghatározása, hogy ő és kollégái rá tudják-e kényszeríteni az élesztőt a laboratóriumban arra, hogy új tulajdonságokat fejlesszen ki. Az egyik tanulmány azzal a kérdéssel foglalkozott, hogyan és miért egyesültek egysejtűek többsejtű csomókká (9). Murray és munkatársai (9) abból az elképzelésből indultak ki, hogy a diffúzió fizikája lehetővé teszi, hogy a sejtek hasznot húzzanak a szomszédos sejtekből. Egy önmagában lebegő egyetlen sejt ugyanis, amely enzimeket használ arra, hogy a környezetében lévő fehérjéket tápanyagokká alakítsa át, csak a tápanyagok kis hányadát képes befogadni. Ha azonban egy sejt néhány szomszédjához tapad, akkor nemcsak az általa létrehozott tápanyagok töredékét veszi fel, hanem az egyes szomszédai által létrehozott tápanyagokat is. Valójában Murray és munkatársai (9) kimutatták, hogy amikor a tápanyagok szűkösek, az összecsapódás előnyhöz juttatja az élesztőt az egyes sejtekkel szemben, ami arra utal, hogy az erőforrások megosztása volt a többsejtű élet evolúciójának mozgatórugója.
Noha a fizika adja az alapot Murray számos tanulmányához, a Feynman elméletén alapuló szintetikus biológia biztosítja számára a szükséges eszközöket. Murray beavató cikkében a szintetikus biológia segítségével foglalkozott azzal az elképzeléssel, hogy a többsejtű szervezetek hogyan és miért alakítottak ki differenciált sejteket. Murray és végzős hallgatója, Mary Wahl két útvonalat akartak összehasonlítani e cél felé: az elsőben a sejtek először csomókká fejlődnek, és csak később differenciálódnak, míg a másodikban először differenciálódnak, tápanyagcserével támogatják egymást, és csak később társulnak egymással. Wahl és Murray (1) olyan csomósodó élesztőtörzseket állítottak elő, amelyek lehetővé tették számukra e két evolúciós lehetőség közvetlen összehasonlítását. Kimutatták, hogy a többsejtűvé válás utáni differenciálódás stabilabb stratégia, mert ellenállóbb a mutánsok inváziójával szemben (1). Murray óvatosan mondja, hogy ezek az eredmények nem bizonyítják, hogy az evolúció így történt. Inkább azt, hogy “az evolúció történhetett így is.”
Murray továbbra is olyan szervezeteket hoz létre, amelyek lehetővé teszik számára, hogy tanulmányozza azokat a mechanizmusokat, amelyek révén új tulajdonságok fejlődnek ki. Ő és posztdoktori munkatársa, Gregg Wildenberg például sikeresen létrehozott olyan élesztőt, amely egy 24 órás oszcillátort fejlesztett ki, amely 24 órán keresztül alacsony fluoreszcenciáról magas fluoreszcenciára ingadozik, hasonlóan egy belső órához (10). Murray reméli, hogy amit a laboratóriumban az evolúcióról tanul, azt a természetes szelekció jobb megértéséhez is felhasználhatja. Azt is szeretné meghatározni, hogy a tulajdonságok gyakrabban származnak-e olyan mutációkból, amelyek megzavarják a géneket, mint olyan lassú, fokozatos folyamatból, amely idővel javítja a géneket. “Nagyon érdekel bennünket, hogy megvizsgáljuk az evolúciót a természetben, hogy megpróbáljunk olyan példákat találni, ahol a tulajdonságok elég régen fejlődtek ahhoz, hogy megkérdezzük, hogy ez olyan mutációk révén történt-e, amelyek tönkretették a gének funkcióját, vagy javították a géneket” – mondja Murray.