Physicist in a Biologist’s Body
Para perseguir um interesse crescente na evolução que Murray acreditava ser mais frutífero se realizado em colaboração com os físicos, Murray mudou-se da UCSF – uma escola de medicina sem departamentos de física ou biologia evolutiva – de volta para Harvard. “Apesar de eu não ter feito matemática formalmente depois dos 16 anos, acontece que eu acho que de uma forma bastante semelhante a muitos dos meus amigos físicos”, explica. Como os físicos teóricos, ele diz que deseja entender as “regras do jogo”. “Quando eu era um estudante de pós-graduação, era má forma de perguntar porque as coisas funcionavam como funcionavam. Você deveria se concentrar em mecanismos”, diz Murray. “Mas, na verdade, o ‘como’ é muitas vezes moldado de formas importantes pelo ‘porquê'”
Hoje em dia, muito do trabalho de Murray concentra-se no fermento e em como ele responde às mudanças no ambiente. “Quase certamente, suas respostas estão relacionadas à sua história passada e ao equivalente evolutivo da aprendizagem”, diz Murray. Os físicos do laboratório de Murray trabalham em colaboração com o físico de Harvard David Nelson para abordar questões que incluem como as populações de organismos, como a levedura, se expandem no espaço e no tempo, as forças que controlam essas expansões e os fatores que levam ou impedem a diversificação das populações nas fronteiras em expansão.
“Acho que uma grande parte do futuro da pesquisa biológica está nas mãos de cientistas que podem dominar tanto a experiência quanto a teoria”, diz Murray. “Então são os estudantes e pós-doutores que vêm da física, com um forte treinamento em teoria, e agora estão aprendendo a fazer experimentos, espero que sejam as novas criaturas corajosas de amanhã”.
Currentemente, os principais interesses de Murray na pesquisa estão em determinar se ele e seus colegas podem forçar leveduras no laboratório a desenvolver propriedades inovadoras. Um estudo abordou a questão de como e porquê organismos unicelulares se uniram para formar tufos multicelulares (9). Murray e colegas de trabalho (9) começaram com a idéia de que a física da difusão permite que as células se beneficiem das células vizinhas. De fato, uma única célula flutuando por si mesma usando enzimas para converter proteínas em nutrientes no seu ambiente só pode capturar uma pequena fração desses nutrientes. Se, no entanto, uma célula está presa a alguns de seus vizinhos, ela absorve não apenas uma fração dos nutrientes que ela cria, mas também, nutrientes criados por cada um de seus vizinhos. Na verdade, Murray e colegas de trabalho (9) mostraram que, quando os nutrientes são escassos, o aglomerado dá uma vantagem sobre as leveduras, sugerindo que a partilha de recursos foi um factor impulsionador da evolução da vida multicelular.
Embora a física forneça a base para muitos dos estudos de Murray, a biologia sintética, baseada na teoria de Feynman, dá-lhe as ferramentas necessárias. No Artigo Inaugural de Murray, ele usou a biologia sintética para abordar a ideia de como e porquê os organismos multicelulares desenvolveram células diferenciadas. Murray e a estudante de pós-graduação Mary Wahl quiseram comparar duas vias para este destino: na primeira, as células evoluiriam primeiro para formar tufos e se diferenciariam depois, enquanto na segunda, se diferenciariam primeiro, apoiando-se mutuamente através da troca de nutrientes, e só se associariam depois. Wahl e Murray (1) criaram estirpes de levedura de aglomeração que lhes permitiram comparar directamente estas duas possibilidades evolutivas. Mostraram que a diferenciação após a multicelularidade é uma estratégia mais estável, pois é mais resistente à invasão por mutantes (1). Murray tem o cuidado de dizer que tais descobertas não provam que a evolução tenha acontecido desta forma. Pelo contrário, “a evolução poderia ter acontecido desta forma”
Murray continua a criar organismos que lhe permitem estudar os mecanismos pelos quais evoluem os novos traços. Por exemplo, ele e o pós-doutorador Gregg Wildenberg criaram com sucesso leveduras que evoluíram de um oscilador de 24 horas, flutuando de baixa fluorescência para alta fluorescência em 24 horas, semelhante a um relógio interno (10). Murray espera usar o que aprendeu sobre a evolução no laboratório para entender melhor a seleção natural. Ele também espera determinar se as características derivam mais frequentemente de mutações que perturbam os genes do que de um processo lento e incremental que melhora os genes ao longo do tempo. “Estamos realmente interessados em olhar a evolução no mundo natural para tentar encontrar exemplos onde as características evoluíram recentemente o suficiente para perguntar se foi por mutações que destruíram a função dos genes ou melhoraram os genes”, diz Murray.