Fisico nel corpo di un biologo
Per perseguire un crescente interesse per l’evoluzione che Murray credeva sarebbe stato più fruttuoso se portato avanti in collaborazione con i fisici, Murray si trasferì dalla UCSF – una scuola di medicina senza dipartimenti di fisica o biologia evolutiva – ad Harvard. “Anche se non ho fatto matematica formalmente dopo i 16 anni, si scopre che penso in un modo abbastanza simile a molti dei miei amici fisici”, spiega. Come i fisici teorici, dice che desidera capire le “regole del gioco”. “Quando ero uno studente laureato, era una cattiva forma chiedere perché le cose funzionavano in quel modo. Ci si doveva concentrare sui meccanismi”, dice Murray. “Ma, in realtà, il ‘come’ è spesso modellato in modi importanti dal ‘perché’.”
Oggi, gran parte del lavoro di Murray si concentra sul lievito e su come risponde ai cambiamenti nell’ambiente. “Quasi certamente, le loro risposte sono legate alla loro storia passata e all’equivalente evolutivo dell’apprendimento”, dice Murray. I fisici del laboratorio di Murray lavorano in collaborazione con il fisico di Harvard David Nelson per affrontare questioni che includono come le popolazioni di organismi, come il lievito, si espandono nello spazio e nel tempo, le forze che controllano tali espansioni e i fattori che portano o impediscono la diversificazione delle popolazioni sulle frontiere in espansione.
“Penso che gran parte del futuro della ricerca biologica sia nelle mani di scienziati che possono padroneggiare sia l’esperimento che la teoria”, dice Murray. “Quindi sono gli studenti e i postdoc che provengono dalla fisica, con una forte formazione teorica, e che ora stanno imparando a fare esperimenti, che spero saranno le nuove coraggiose creature di domani”
Attualmente, i principali interessi di ricerca di Murray sono nel determinare se lui e i suoi colleghi possono forzare il lievito in laboratorio a sviluppare nuove proprietà. Uno studio ha affrontato la questione di come e perché gli organismi unicellulari si sono uniti per formare grumi multicellulari (9). Murray e colleghi (9) sono partiti dall’idea che la fisica della diffusione permette alle cellule di beneficiare delle cellule vicine. Infatti, una singola cellula che galleggia da sola usando enzimi per convertire le proteine del suo ambiente in nutrienti può catturare solo una piccola frazione di questi nutrienti. Se, tuttavia, una cellula è attaccata ad alcuni dei suoi vicini, assorbe non solo una frazione dei nutrienti che crea, ma anche i nutrienti creati da ciascuno dei suoi vicini. Infatti, Murray e colleghi (9) hanno dimostrato che, quando i nutrienti sono scarsi, il raggruppamento dà al lievito un vantaggio rispetto alle cellule singole, suggerendo che la condivisione delle risorse era un fattore trainante dietro l’evoluzione della vita multicellulare.
Anche se la fisica fornisce le basi per molti degli studi di Murray, la biologia sintetica, basata sulla teoria di Feynman, gli fornisce gli strumenti necessari. Nell’articolo inaugurale di Murray, ha usato la biologia sintetica per affrontare l’idea di come e perché gli organismi multicellulari hanno sviluppato cellule differenziate. Murray e la studentessa laureata Mary Wahl volevano confrontare due percorsi verso questa destinazione: nel primo, le cellule si sarebbero evolute prima per formare dei grumi e differenziarsi in seguito, mentre nel secondo, si sarebbero differenziate prima, sostenendosi a vicenda scambiando sostanze nutritive, e si sarebbero associate tra loro solo in seguito. Wahl e Murray (1) hanno ingegnerizzato dei ceppi di lievito clumping che hanno permesso loro di confrontare direttamente queste due possibilità evolutive. Hanno dimostrato che la differenziazione dopo la multicellularità è una strategia più stabile, perché è più resistente all’invasione dei mutanti (1). Murray è attento a dire che tali risultati non provano che l’evoluzione sia avvenuta in questo modo. Piuttosto, “l’evoluzione potrebbe essere avvenuta in questo modo.”
Murray continua a creare organismi che gli permettono di studiare i meccanismi con cui si evolvono nuovi tratti. Per esempio, lui e il collega di post-dottorato Gregg Wildenberg hanno creato con successo un lievito che si è evoluto in un oscillatore di 24 ore, fluttuando da una bassa fluorescenza ad un’alta fluorescenza nel corso di 24 ore, simile ad un orologio interno (10). Murray spera di usare ciò che impara sull’evoluzione in laboratorio per capire meglio la selezione naturale. Spera anche di determinare se i tratti derivano più spesso da mutazioni che interrompono i geni piuttosto che da un processo lento e incrementale che migliora i geni nel tempo. “Siamo davvero interessati a guardare l’evoluzione nel mondo naturale per cercare di trovare esempi in cui i tratti si sono evoluti abbastanza recentemente per chiedere se è stato da mutazioni che hanno distrutto la funzione dei geni o migliorato i geni”, dice Murray.