Fizyk w ciele biologa
Aby kontynuować rosnące zainteresowanie ewolucją, które zdaniem Murraya byłoby bardziej owocne, gdyby zostało przeprowadzone we współpracy z fizykami, Murray przeniósł się z UCSF – szkoły medycznej bez wydziałów fizyki lub biologii ewolucyjnej – z powrotem na Harvard. „Mimo że nie uczyłem się formalnie matematyki po 16 roku życia, okazało się, że myślę w sposób dość podobny do wielu moich przyjaciół fizyków” – wyjaśnia. Podobnie jak fizycy teoretyczni, mówi, że pragnie zrozumieć „reguły gry”. „Kiedy byłem studentem, nie wypadało pytać, dlaczego coś działa tak, a nie inaczej. Należało skupić się na mechanizmach” – mówi Murray. „Ale tak naprawdę to 'jak’ jest często kształtowane w istotny sposób przez 'dlaczego’.”
Dzisiaj duża część pracy Murraya skupia się na drożdżach i tym, jak reagują na zmiany w środowisku. „Prawie na pewno ich reakcje są związane z ich przeszłą historią i ewolucyjnym odpowiednikiem uczenia się”, mówi Murray. Fizycy z laboratorium Murraya pracują we współpracy z fizykiem z Harvardu Davidem Nelsonem nad zagadnieniami, które obejmują sposób, w jaki populacje organizmów, takich jak drożdże, rozszerzają się w czasie i przestrzeni, siły, które kontrolują te rozszerzenia, oraz czynniki, które prowadzą do lub zapobiegają dywersyfikacji populacji na rozszerzających się granicach.
„Myślę, że duża część przyszłości badań biologicznych leży w rękach naukowców, którzy potrafią opanować zarówno eksperyment, jak i teorię”, mówi Murray. „Mam nadzieję, że to właśnie studenci i postdocy, którzy wywodzą się z fizyki i są dobrze wyszkoleni w teorii, a teraz uczą się, jak przeprowadzać eksperymenty, będą nowymi odważnymi istotami jutra.”
Obecnie główne zainteresowania badawcze Murraya dotyczą ustalenia, czy on i jego koledzy mogą zmusić drożdże w laboratorium do rozwinięcia nowych właściwości. Jedno z badań dotyczyło pytania, jak i dlaczego organizmy jednokomórkowe połączyły się w wielokomórkowe kępy (9). Murray i współpracownicy (9) zaczęli od pomysłu, że fizyka dyfuzji pozwala komórkom czerpać korzyści z sąsiednich komórek. Rzeczywiście, pojedyncza komórka pływająca samodzielnie, wykorzystująca enzymy do przekształcania białek w swoim środowisku w składniki odżywcze, może przechwycić tylko niewielką część tych składników. Jeśli jednak komórka przyklei się do kilku swoich sąsiadów, wchłonie nie tylko ułamek składników odżywczych, które sama wytwarza, ale także składniki odżywcze wytworzone przez każdego z jej sąsiadów. W rzeczywistości Murray i współpracownicy (9) wykazali, że gdy składniki odżywcze są rzadkie, zlepianie się daje drożdżom przewagę nad pojedynczymi komórkami, sugerując, że dzielenie się zasobami było czynnikiem napędzającym ewolucję życia wielokomórkowego.
Chociaż fizyka stanowi podstawę wielu badań Murraya, biologia syntetyczna, oparta na teorii Feynmana, daje mu niezbędne narzędzia. W artykule inauguracyjnym Murray użył biologii syntetycznej, aby zmierzyć się z pytaniem, jak i dlaczego organizmy wielokomórkowe rozwinęły zróżnicowane komórki. Murray i studentka Mary Wahl chcieli porównać dwie drogi do tego celu: w pierwszym przypadku komórki najpierw ewoluowałyby w kierunku tworzenia kępek, a następnie różnicowałyby się później, natomiast w drugim najpierw różnicowałyby się, wspierając się wzajemnie poprzez wymianę składników odżywczych, a dopiero później łączyłyby się ze sobą. Wahl i Murray (1) stworzyli szczepy drożdży zlepiających się, co pozwoliło im na bezpośrednie porównanie tych dwóch możliwości ewolucyjnych. Wykazali, że różnicowanie po wielokomórkowości jest bardziej stabilną strategią, ponieważ jest bardziej odporne na inwazję mutantów (1). Murray ostrożnie zaznacza, że takie odkrycia nie dowodzą, że ewolucja przebiegała w ten sposób. Raczej, „ewolucja mogła zajść w ten sposób.”
Murray kontynuuje tworzenie organizmów, które pozwalają mu badać mechanizmy, dzięki którym nowe cechy ewoluują. Na przykład, on i jego współpracownik Gregg Wildenberg z powodzeniem stworzyli drożdże, które rozwinęły 24-godzinny oscylator, wahający się od niskiej fluorescencji do wysokiej fluorescencji w ciągu 24 godzin, podobny do wewnętrznego zegara (10). Murray ma nadzieję wykorzystać to, czego nauczy się o ewolucji w laboratorium, by lepiej zrozumieć dobór naturalny. Ma również nadzieję ustalić, czy cechy wynikają częściej z mutacji, które zakłócają działanie genów, niż z powolnego, przyrostowego procesu, który z czasem ulepsza geny. „Jesteśmy naprawdę zainteresowani przyglądaniem się ewolucji w świecie przyrody, aby spróbować znaleźć przykłady, w których cechy ewoluowały na tyle niedawno, by zapytać, czy stało się to przez mutacje, które zniszczyły funkcję genów, czy też je ulepszyły” – mówi Murray.
.