Fysicus in het lichaam van een bioloog
Om zijn groeiende interesse in de evolutie, waarvan Murray dacht dat die meer vruchten zou afwerpen als die in samenwerking met fysici zou worden uitgevoerd, verder te ontwikkelen, verhuisde Murray van UCSF – een medische school zonder afdelingen fysica of evolutiebiologie – terug naar Harvard. “Hoewel ik na mijn 16e niet meer formeel wiskunde heb gedaan, blijkt dat ik op eenzelfde manier denk als veel van mijn natuurkundige vrienden,” legt hij uit. Net als theoretische natuurkundigen zegt hij dat hij de “regels van het spel” wil begrijpen. “Toen ik nog studeerde, was het niet netjes om te vragen waarom dingen werkten zoals ze werkten. Je werd geacht je te richten op mechanismen,” zegt Murray. “Maar eigenlijk wordt het ‘hoe’ vaak op belangrijke manieren gevormd door het ‘waarom’.”
Heden ten dage richt veel van Murray’s werk zich op gist en hoe het reageert op veranderingen in de omgeving. “Vrijwel zeker zijn hun reacties gerelateerd aan hun voorgeschiedenis en het evolutionaire equivalent van leren,” zegt Murray. De natuurkundigen in Murray’s laboratorium werken samen met Harvard-fysicus David Nelson om onderwerpen aan te pakken zoals hoe populaties van organismen, zoals gist, zich uitbreiden in ruimte en tijd, de krachten die deze uitbreidingen controleren en de factoren die leiden tot of voorkomen dat populaties op uitbreidende grenzen diversifiëren.
“Ik denk dat een groot deel van de toekomst van biologisch onderzoek in de handen ligt van wetenschappers die zowel experiment als theorie kunnen beheersen,” zegt Murray. “Ik hoop dus dat de studenten en postdocs die uit de natuurkunde komen, met een sterke theoretische opleiding, en nu leren hoe ze experimenten moeten uitvoeren, de dappere nieuwe wezens van morgen zullen zijn.”
De belangrijkste onderzoeksinteresses van Murray op dit moment zijn het bepalen of hij en zijn collega’s gist in het laboratorium kunnen dwingen om nieuwe eigenschappen te ontwikkelen. Een van de studies betrof de vraag hoe en waarom eencellige organismen zich samenvoegden tot meercellige klonters (9). Murray en medewerkers (9) gingen uit van het idee dat de fysica van diffusie cellen in staat stelt te profiteren van naburige cellen. Een enkele cel die alleen ronddrijft en enzymen gebruikt om eiwitten in zijn omgeving om te zetten in voedingsstoffen, kan immers slechts een klein deel van die voedingsstoffen opvangen. Als een cel echter aan een paar van zijn buren vastzit, absorbeert hij niet alleen een fractie van de voedingsstoffen die hij zelf aanmaakt, maar ook voedingsstoffen die door elk van zijn buren worden aangemaakt. Murray en medewerkers (9) toonden zelfs aan dat wanneer voedingsstoffen schaars zijn, samenklontering gist een voordeel geeft ten opzichte van afzonderlijke cellen, wat suggereert dat het delen van hulpbronnen een drijvende factor was achter de evolutie van meercellig leven.
Hoewel de fysica de basis vormt voor veel van Murray’s studies, geeft de synthetische biologie, gebaseerd op Feynman’s theorie, hem de nodige instrumenten. In Murray’s inaugurele artikel gebruikte hij de synthetische biologie om het idee te onderzoeken hoe en waarom meercellige organismen gedifferentieerde cellen ontwikkelden. Murray en afstudeerstudente Mary Wahl wilden twee routes naar deze bestemming vergelijken: in de eerste zouden cellen eerst evolueren om klonters te vormen en zich later differentiëren, terwijl ze in de tweede eerst zouden differentiëren, elkaar zouden ondersteunen door voedingsstoffen uit te wisselen, en pas later met elkaar zouden associëren. Wahl en Murray (1) ontwikkelden stammen van klonterende gist die hen in staat stelden deze twee evolutionaire mogelijkheden direct te vergelijken. Zij toonden aan dat differentiatie na meercelligheid een stabielere strategie is, omdat deze beter bestand is tegen invasie door mutanten (1). Murray zegt voorzichtig dat dergelijke bevindingen niet bewijzen dat de evolutie op deze manier is verlopen. Murray blijft organismen creëren die hem in staat stellen de mechanismen te bestuderen waardoor nieuwe eigenschappen evolueren. Hij en postdoctoraal medewerker Gregg Wildenberg zijn er bijvoorbeeld in geslaagd gist te creëren die een 24-uurs oscillator heeft ontwikkeld, die in 24 uur fluctueert van een lage fluorescentie naar een hoge fluorescentie, vergelijkbaar met een interne klok (10). Murray hoopt wat hij leert over evolutie in het laboratorium te gebruiken om natuurlijke selectie beter te begrijpen. Hij hoopt ook te kunnen bepalen of eigenschappen vaker voortkomen uit mutaties die genen verstoren dan uit een langzaam, incrementeel proces dat genen in de loop van de tijd verbetert. “We zijn echt geïnteresseerd in het kijken naar evolutie in de natuurlijke wereld om te proberen voorbeelden te vinden waar eigenschappen recent genoeg zijn geëvolueerd om ons af te vragen of het was door mutaties die de functie van genen vernietigden of de genen verbeterden,” zegt Murray.