Fizician în corpul unui biolog
Pentru a urmări un interes crescând pentru evoluție care, în opinia lui Murray, ar fi mai fructuos dacă ar fi realizat în colaborare cu fizicienii, Murray s-a mutat de la UCSF – o școală medicală fără departamente de fizică sau biologie evoluționistă – la Harvard. „Chiar dacă nu am făcut matematică în mod formal după vârsta de 16 ani, se pare că gândesc într-un mod destul de asemănător cu mulți dintre prietenii mei fizicieni”, explică el. La fel ca fizicienii teoreticieni, el spune că dorește să înțeleagă „regulile jocului”. „Când eram student absolvent, era de prost gust să întrebi de ce funcționează lucrurile așa cum funcționează. Trebuia să te concentrezi pe mecanisme”, spune Murray. „Dar, de fapt, „cum” este adesea modelat în moduri importante de „de ce”.”
Astăzi, o mare parte din activitatea lui Murray se concentrează pe drojdie și pe modul în care aceasta răspunde la schimbările din mediul înconjurător. „Aproape sigur, răspunsurile lor sunt legate de istoria lor trecută și de echivalentul evolutiv al învățării”, spune Murray. Fizicienii din laboratorul lui Murray lucrează în colaborare cu fizicianul David Nelson de la Harvard pentru a aborda probleme care includ modul în care populațiile de organisme, cum ar fi drojdia, se extind în spațiu și timp, forțele care controlează aceste expansiuni și factorii care conduc sau împiedică diversificarea populațiilor pe frontierele în expansiune.
„Cred că o mare parte din viitorul cercetării biologice se află în mâinile oamenilor de știință care pot stăpâni atât experimentul, cât și teoria”, spune Murray. „Așadar, studenții și postdoctoranzii care vin din fizică, cu o pregătire puternică în teorie, și care acum învață cum să facă experimente, sper că vor fi noile creaturi curajoase de mâine.”
În prezent, principalele interese de cercetare ale lui Murray constau în a determina dacă el și colegii săi pot forța drojdia în laborator să evolueze proprietăți noi. Un studiu a abordat întrebarea cum și de ce organismele unicelulare s-au unit pentru a forma aglomerări multicelulare (9). Murray și colaboratorii (9) au pornit de la ideea că fizica difuziei permite celulelor să beneficieze de celulele vecine. Într-adevăr, o singură celulă care plutește singură, folosind enzime pentru a transforma proteinele din mediul său în nutrienți, poate capta doar o mică parte din acești nutrienți. Dacă, cu toate acestea, o celulă este lipită de câteva dintre vecinele sale, aceasta absoarbe nu numai o fracțiune din nutrienții pe care îi creează, ci și nutrienții creați de fiecare dintre vecinii săi. De fapt, Murray și colaboratorii (9) au arătat că, atunci când nutrienții sunt puțini, aglomerarea oferă drojdiei un avantaj față de celulele individuale, sugerând că împărțirea resurselor a fost un factor determinant în spatele evoluției vieții multicelulare.
Deși fizica oferă fundamentul pentru multe dintre studiile lui Murray, biologia sintetică, bazată pe teoria lui Feynman, îi oferă instrumentele necesare. În articolul inaugural al lui Murray, acesta a folosit biologia sintetică pentru a aborda ideea despre cum și de ce organismele multicelulare au dezvoltat celule diferențiate. Murray și studenta absolventă Mary Wahl au vrut să compare două rute către această destinație: în prima, celulele ar evolua mai întâi pentru a forma aglomerări și s-ar diferenția mai târziu, în timp ce în cea de-a doua, acestea s-ar diferenția mai întâi, susținându-se reciproc prin schimbul de nutrienți și asociindu-se între ele abia mai târziu. Wahl și Murray (1) au creat tulpini de drojdie cu aglomerări care le-au permis să compare direct aceste două posibilități evolutive. Ei au arătat că diferențierea după multicelularitate este o strategie mai stabilă, deoarece este mai rezistentă la invazia mutanților (1). Murray are grijă să precizeze că astfel de descoperiri nu dovedesc că evoluția s-a petrecut în acest mod. Mai degrabă, „evoluția s-ar fi putut întâmpla în acest fel.”
Murray continuă să creeze organisme care îi permit să studieze mecanismele prin care evoluează noi trăsături. De exemplu, el și colegul său postdoctoral Gregg Wildenberg au creat cu succes o drojdie care a dezvoltat un oscilator de 24 de ore, fluctuând de la o fluorescență scăzută la o fluorescență ridicată pe parcursul a 24 de ore, similar unui ceas intern (10). Murray speră să folosească ceea ce învață despre evoluție în laborator pentru a înțelege mai bine selecția naturală. El speră, de asemenea, să determine dacă trăsăturile provin mai des din mutații care perturbă genele decât dintr-un proces lent și incremental care îmbunătățește genele în timp. „Suntem cu adevărat interesați să analizăm evoluția în lumea naturală pentru a încerca să găsim exemple în care trăsăturile au evoluat suficient de recent pentru a ne întreba dacă a fost prin mutații care au distrus funcția genelor sau au îmbunătățit genele”, spune Murray.
.