Fysiker i en biologisk kropp
För att fullfölja ett växande intresse för evolution som Murray trodde skulle vara mer fruktbart om det utfördes i samarbete med fysiker, flyttade Murray från UCSF – en medicinsk fakultet som inte hade någon avdelning för fysik eller evolutionsbiologi – tillbaka till Harvard. ”Även om jag inte gjorde matematik formellt efter 16 års ålder, visar det sig att jag tänker på ett sätt som är ganska likt många av mina fysikervänner”, förklarar han. Liksom teoretiska fysiker säger han att han vill förstå ”spelets regler”. ”När jag var doktorand var det olämpligt att fråga varför saker och ting fungerade som de gjorde. Det var meningen att man skulle fokusera på mekanismerna”, säger Murray. ”Men i själva verket formas ”hur” ofta på viktiga sätt av ”varför”.”
I dag är en stor del av Murrays arbete inriktat på jäst och hur den reagerar på förändringar i miljön. ”Nästan säkert är deras reaktioner relaterade till deras tidigare historia och den evolutionära motsvarigheten till inlärning”, säger Murray. Fysikerna i Murrays laboratorium samarbetar med Harvard-fysikern David Nelson för att ta itu med frågor som bland annat handlar om hur populationer av organismer, som jäst, expanderar i tid och rum, vilka krafter som kontrollerar dessa expansioner och vilka faktorer som leder till eller förhindrar diversifiering av populationer på expanderande gränser.
”Jag tror att en stor del av den biologiska forskningens framtid ligger i händerna på vetenskapsmän som kan behärska både experiment och teori”, säger Murray. ”Så det är de studenter och postdoktorer som kommer från fysiken, med en stark utbildning i teori, och som nu lär sig att göra experiment, som jag hoppas kommer att bli morgondagens modiga nya varelser.”
För närvarande är Murrays huvudsakliga forskningsintressen att avgöra om han och hans kollegor kan tvinga jäst i laboratoriet att utveckla nya egenskaper. I en studie tog man sig an frågan om hur och varför encelliga organismer slog sig samman för att bilda flercelliga klumpar (9). Murray och medarbetare (9) började med tanken att diffusionens fysik gör att celler kan dra nytta av grannceller. En enskild cell som flyter på egen hand och använder enzymer för att omvandla proteiner i sin omgivning till näringsämnen kan faktiskt bara fånga upp en liten del av dessa näringsämnen. Om en cell däremot sitter fast vid några av sina grannar absorberar den inte bara en del av de näringsämnen som den själv skapar, utan också de näringsämnen som skapas av var och en av dess grannar. Faktum är att Murray och medarbetare (9) visade att när det är ont om näringsämnen ger klumpning jäst en fördel jämfört med enskilda celler, vilket tyder på att delning av resurser var en drivande faktor bakom evolutionen av det flercelliga livet.
Och även om fysiken ligger till grund för många av Murrays studier ger den syntetiska biologin, som bygger på Feynmans teori, honom de nödvändiga verktygen. I Murrays inledande artikel använde han syntetisk biologi för att ta itu med idén om hur och varför flercelliga organismer utvecklade differentierade celler. Murray och doktorand Mary Wahl ville jämföra två vägar till detta mål: i den första skulle cellerna först utvecklas till att bilda klumpar och differentiera sig senare, medan de i den andra skulle differentiera sig först, stödja varandra genom att utbyta näringsämnen, och först senare associera sig med varandra. Wahl och Murray (1) konstruerade stammar av klumpande jäst som gjorde det möjligt för dem att direkt jämföra dessa två evolutionära möjligheter. De visade att differentiering efter flercellighet är en stabilare strategi, eftersom den är mer motståndskraftig mot invasion av mutanter (1). Murray är noga med att säga att sådana resultat inte bevisar att evolutionen skedde på detta sätt. Snarare är det så att ”evolutionen kunde ha skett på detta sätt.”
Murray fortsätter att skapa organismer som gör det möjligt för honom att studera de mekanismer genom vilka nya egenskaper utvecklas. Till exempel skapade han och postdoktor Gregg Wildenberg framgångsrikt jäst som utvecklade en 24-timmarsoscillator, som fluktuerar från låg fluorescens till hög fluorescens under 24 timmar, likt en inre klocka (10). Murray hoppas kunna använda det han lär sig om evolution i laboratoriet för att bättre förstå det naturliga urvalet. Han hoppas också kunna avgöra om egenskaper oftare härrör från mutationer som stör generna än från en långsam, stegvis process som förbättrar generna med tiden. ”Vi är verkligen intresserade av att titta på evolutionen i naturen för att försöka hitta exempel där egenskaper har utvecklats tillräckligt nyligen för att vi ska kunna fråga oss om det skedde genom mutationer som förstörde genernas funktion eller förbättrade generna”, säger Murray.