En multitalentet vitenskapsmann søker opprinnelsen til flercellethet | Quanta Magazine

In Cassandra Extavoursitt kontor ved Harvard University henger et plakat med et malt regnbueflagg og en vennlig invitasjon.

«Du er velkommen hit», står det.

"Jeg har det fordi jeg tror det er viktig å la folk se identitetene dine, spesielt når disse identitetene ikke er godt representert," forklarte Extavour, en evolusjonær genetiker som i 2014 ble den første svarte kvinnen til å vinne ansettelse i biologiske vitenskaper ved Harvard's Fakultet for kunst og realfag.

Extavour selv har flere identiteter, både profesjonelt og personlig, nok til å kvalifisere som en ekte renessansekvinne. Hun er en Howard Hughes Medical Institute-etterforsker, men også en klassisk utdannet sopran som opptrer med Boston Landmarks Orchestra og Handel and Haydn Society.

Utover undervisning og sang, forsker Extavour på biokjemien og genetikken til det tidligste livet på jorden. Hun vil vite hvordan de første cellene utviklet seg og til slutt utviklet seg til flercellede organismer. Hvilke cellulære mekanismer gjort komplisert liv mulig? hun spør. Mer spesifikt, hvilken spesiell innflytelse kan kjønnsceller - som lager egg eller sædceller, overføre genetisk informasjon fra foreldre til avkom - ha hatt i utviklingen av flercellet liv?

Laboratoriearbeidet hennes, som kombinerer eksperimentering og avansert matematikk, har fått stor oppmerksomhet blant evolusjonsbiologer.

I 2000 hennes doktorgradsavhandling, viste Extavour at kjønnsceller konkurrerer om muligheten til å bringe informasjonen sin til neste generasjon. I laboratoriet hennes ved Harvard, har hun vist at bakterier spilte en rolle i å skape genene som var viktige for å etablere kjønnscellelinjer i større, mer komplekst liv. Senest, mens de studerte eggene til insekter, snudde Extavour og teamet hennes en utbredt antagelse om hva som driver det store mangfoldet i cellulære former.

"Jeg er veldig nysgjerrig på opprinnelsen til flercellet liv på jorden," forklarte Extavour i et nylig Zoom-intervju fra kontoret hennes i Cambridge. «Jeg vet at jeg aldri kommer til å se det. Men jeg tenker mye på det.»

Quanta snakket med henne i tre separate intervjuer på senhøsten. Intervjuene er komprimert og redigert for klarhet.

Siden forskningen din er fokusert på begynnelsen, la oss starte med din. Hvor vokste du opp?

Toronto, i det som den gang var et arbeiderklasseområde kalt Annexet. Det var nesten utelukkende okkupert av innvandrerfamilier fra hele verden.

Var du et av de barna som alltid visste at de ønsket å vokse opp for å bli vitenskapsmann?

Nei. Jeg så for meg at jeg skulle bli musiker. Eller kanskje en danser. Jeg spilte ståltrommer fra jeg var 4. Jeg kunne lese musikk i veldig ung alder. Jeg tok opp blåseinstrumenter på barneskolen. Senere studerte jeg stemme.

Det var bare mye musikk i barndommen min. Min far, en innvandrer fra Trinidad, støttet familien som tekniker ved CBC, Canadian Broadcasting Company. Men han var også en profesjonell musiker. Han holdt konserter jevnlig. Jeg opptrådte med ham.

Innenfor familien var det følelsen av at søsknene mine og jeg kunne gjøre alt vi bestemte oss for – det være seg å mestre et nytt instrument eller få opptak til den beste videregående skolen i byen. Hvis jeg uttrykte interesse for noe, var svaret: "Gå til biblioteket, lær alt om det og lag en plan."

Familien din høres bemerkelsesverdig ut.

Familiehistorien var at vi var mennesker med ydmyk opprinnelse, men talentfulle, kraftfulle og utrolig kreative.

Vi ble definitivt oppvokst med ideen om at vi var annerledes, spesielle, men det er kanskje ikke andre som gjenkjenner det. Foreldrene våre lærte oss: «Verden kommer ikke alltid til å verdsette deg for den du er. Ikke la det stoppe deg fra å leve det beste livet du kan."

Var det utfordrende å vokse opp i en interracial familie i 1970-tallets Canada?

Fra en tidlig alder forsto jeg at mange mennesker ikke likte at faren min var svart og moren min var hvit. Min mors familie var ikke begeistret over at hun hadde giftet seg med en svart mann og fått fire svarte barn. Det tok dem tid å akseptere det.

I ettertid har jeg innsett at familiens utenforskap ga meg mange nyttige verktøy. For eksempel visste jeg fra en tidlig alder at omverdenen kunne være fiendtlig innstilt til meg, og derfor kunne jeg ikke stole på den for nøyaktig tilbakemelding. Jeg fikk mye tidlig trening i å bestemme selv om noe var bra eller dårlig - eller interessant. Det er en enorm ressurs når du designer eksperimenter.

Gitt din tidlige interesse for å prestere, hvordan kom interessen for genetikk inn i livet ditt?

Helt tilfeldig. I mitt første år på college, ved University of Toronto, befant jeg meg i en situasjon hvor jeg raskt trengte å velge hovedfag. Jeg sang i refreng på den tiden, og jeg spurte naboen som satt ved siden av meg hva hennes var. "Genetikk," sa hun. Det var en helt tilfeldig avgjørelse.

Men en heldig en?

Ja. Fordi hovedfag i genetikk var pålagt å ta biokjemi. Jeg hadde tidligere tatt biologiklasser, men jeg fant dem - i hvert fall slik de ble undervist - som en frakoblet liste over ting å huske.

Biokjemi var derimot et spennende logisk puslespill. Det var alle disse forskjellige delene - proteiner, mitokondrier, gener - og de jobbet alle sammen for å lage en celle som kunne gjøre ting. Spillet var å finne ut hvordan brikkene fungerte sammen. Jeg syntes det var helt engasjerende.

Nå hadde jeg ikke vokst opp i et akademisk miljø. Jeg visste ingenting om forskerkarrierer, eller at jobben jeg har i dag eksisterte.

Men jeg spurte rundt på skolen, og en av de eldre studentene sa til meg: "Hvis du vil gjøre seriøs genetikk, må du gå på forskerskolen og ta en doktorgrad."

Du valgte å gjøre masterstudiene dine i Europa. Hvorfor der?

Jeg valgte det autonome universitetet i Madrid fordi jeg ønsket å bli flytende i spansk og fordi jeg ønsket å studere med Antonio García-Bellido, en av de fremste utviklingsgenetikerne på 20-tallet. Da jeg leste avisene hans, syntes han å tenke på utvikling på en måte som ingen andre gjorde.

Når vi tenkte på den avgjørelsen senere, virket det i ettertid som et klokt valg av en annen grunn. Hvis jeg hadde utført hovedfagsarbeidet mitt i USA, som jeg ble oppfordret til å gjøre, ville det ha gjort forskerskolen vanskeligere enn den allerede var. I USA føler du det konstante angrepet av rasedeling.

Doktorgradsavhandlingen du produserte under García-Bellido, om utvalg i fruktfluens spirelinje, hadde stor innvirkning på utviklingsgenetikk. Hvorfor var det en så stor suksess?

Fordi jeg ga direkte eksperimentelle bevis for noe som lenge hadde vært antatt, men ikke tidligere vist. Nemlig at på samme måte som hele dyr kan være gjenstand for naturlig seleksjon, der passformen overlever bedre enn de mindre tilrettelagte, kan individuelle kjønnsceller i et utviklende dyr gjøre det samme.

Kimceller er fascinerende fordi de er en spesiell nyhet av flercellede organismer. Nesten alle store vellykkede flercellede livsformer reproduseres med kjønnsceller. De er hvordan gener overføres fra en generasjon til en annen. De er det som gir cellene evnen til å holde sammen, eller til å danne et stort flercellet konglomerat som en banan eller en person.

Så du beviste at kjønnscellene i fruktfluene konkurrerte. Men på hvilken måte? Hva var arten av konkurransen deres?

På grunn av mutasjoner som oppstår spontant i vev, kan de forskjellige kjønnscellene i en organisme ha litt forskjellige gener. Disse mutasjonene kan påvirke hvor godt kjønnscellene vokser og produserer vellykkede egg eller sædceller, noe som setter dem i konkurranse med hensyn til naturlig utvalg. Men det viser seg at mange av de samme genene også påvirker utviklingsprosesser i resten av kroppen. Så denne seleksjonsprosessen blant kjønnscellene kan ha store effekter på helsen og fitnessen til det produserte avkommet gjennom hele livet.

Avhandlingen din hadde sterke implikasjoner for evolusjonsbiologien, ikke sant?

Det gjorde det. Å forstå hvordan du utvikler et genetisk program for å lage den lille undergruppen av reproduktive celler er veldig viktig.

Mye av min påfølgende karriere har blitt styrt av å ville forstå hvordan en enkelt celle, det befruktede egget, skaper en kompleks flercellet voksen laget av millioner av celler. Jeg prøver å finne ut hvordan de forskjellige celletypene i organismer først oppsto.

Blant spørsmålene jeg stiller er: Hvordan vet de hva de skal gjøre? Hvilke gener bruker de for å gjøre dette? Og siden det første livet på jorden var encellet, hvordan utviklet flercellede gener og celletyper seg i utgangspunktet?

Hva ble av dine musikalske interesser mens du prøvde å forstå kjønnsceller?

Hele veien fant jeg måter å drive med både vitenskap og musikk på. Mens jeg jobbet i Madrid og senere da jeg tok en postdoc ved Cambridge i Storbritannia, studerte jeg fortsatt stemme. Dessuten deltok jeg på auditions og opptrådte i show i helgene.

Mens jeg jobbet med doktorgraden og under postdoc, var stemmelæreren min i Sveits. Han hadde andre studenter i Madrid, og han kom til Spania hver sjette uke eller så for å jobbe med oss. Noen ganger flyr jeg til Basel for leksjoner. Jeg tok opp leksjonene hans og studerte dem etterpå.

Selvfølgelig var det øyeblikk da disse to interessene var motstridende. Etter at jeg var ferdig med doktorgraden min, oppfordret stemmelæreren meg til å vie meg full tid til sang. "Du er 26 nå," sa han. «Det er på tide å gjøre alvor av stemmen din. Det er nå eller aldri."

Jeg vurderte argumentet hans. Men jeg hadde en stor interesse for biologi. På slutten av dagen måtte jeg finne en måte å gjøre begge deler på.

Heldigvis, både som hovedfagsstudent og postdoktor, hadde jeg svært senior etterforskere som ga meg mye uavhengighet. Så lenge jeg gjorde jobben på forventet høy nivå, kunne jeg lage min egen timeplan.

Det kan bety å tilbringe noen ekstra netter i laboratoriet for å få fruktfluene i form fordi jeg ikke ville være i stand til å passe dem mens jeg var på turné med et show. Eller bære fluene med meg i sekken slik at jeg slapp å stoppe et eksperiment.

Du tok postdoktoren din med zoologen Michael Akam på Cambridge. I en tid da biokjemi dominerer, kan studiet av hele dyr noen ganger virke som et tilbakeslag til et annet århundre. Hvorfor valgte du det?

Fordi jeg ønsket å ta funnene i avhandlingen min til neste steg. Avhandlingen undersøkte hvordan kjønnsceller oppførte seg i ett dyr. På Cambridge spurte jeg hvordan kjønnsceller oppførte seg i alle dyr og hvordan de utviklet seg. For å gjøre det studerte jeg kråkeboller, krepsdyr og sjøanemoner i laboratoriet. Så leste jeg den historiske litteraturen, omtrent alt publisert på kjønnscellene til hundrevis av forskjellige arter.

Gjennom hele min karriere har jeg prøvd å bygge på tidligere funn, og det betyr noen ganger å gå utenfor den opprinnelige disiplinen eller strekke dens definisjoner. Akkurat nå, i laboratoriet mitt, prøver vi å forstå utviklingen av utviklingen ved å vurdere mer enn gener.

Vi inkorporerer økologi og miljø i studiene våre. I stedet for bare å studere fruktfluer isolert, ser vi på mikrobene som lever inne i fluene og plantene som fluene lever av. Med dette arbeidet håper vi å forstå hvordan utviklingsprosessene kan utvikle seg i virkelige miljøer.

Hva vil du si er de viktigste funnene fra Harvard-laboratoriet ditt?

Først, viser at celle-celle-signalering ikke er en uvanlig måte for dyr å gjøre det på generere embryonale kjønnsceller — det vil si celler som skal bli til egg og sædceller. Ideen som dominerte lærebøker i det meste av det 20. århundre var at hos insekter og de fleste andre dyr, etablerte en "kimplasma" i egget en distinkt avstamning av kjønnsceller veldig tidlig i utviklingen. Men vi viste at i sirisser blir kroppsceller indusert til å endre seg til kjønnsceller av signaler fra det omkringliggende vevet. Det er det som skjer hos mus og andre pattedyr også, men det ble antatt å være en ny mekanisme som sjelden dukket opp i evolusjonen.

For det andre oppdaget i 2020 at de lenge mistet slektninger til oskar, et gen veldig kjent for sin essensielle rolle i insektreproduksjon, var faktisk fra bakterier, ikke bare fra tidligere dyr. Dette genet utviklet seg ved fusjon av bakterielle genomsekvenser med dyregenomsekvenser. Det tyder på at forløperne til oskar hadde svært forskjellige funksjoner, muligens i utviklingen av nervesystemet, og at videre studier av hvordan det utviklet sitt nye formål kunne være svært informativt.

For det tredje, forfalskning av århundregamle "lover" som forutså formene til biologiske strukturer. Insektegg varierer enormt, med åtte størrelsesordener i størrelse og med vilt forskjellige former. Tidligere antakelser var at en universell "lov" av et eller annet slag, som gjaldt alle dyr, kunne forklare utviklingen av formene og størrelsene til celler og strukturer laget av celler. Når det gjelder egg, var det mange tidligere hypoteser om hva disse lovene var, inkludert for eksempel at dimensjonene til eggene reflekterte kravene til utviklingshastigheten eller den voksne kroppsstørrelsen for hver art.

Men vi konstruerte et datasett uten sidestykke med over 10,000 XNUMX målinger av insektegg og fant ut at det som egentlig best forutså størrelsen og formen til et egg var hvor det ville bli lagt. Egg lagt på bakken eller under løves er i utgangspunktet elliptiske. Egg lagt i vannet har en tendens til å være mindre og mer sfæriske. Parasitoide egg lagt inne i andre insekter er også små, men asymmetriske.

Hvordan kom du til å flytte arbeidet ditt fra Cambridge til Harvard?

I 2003 inviterte Harvard meg til å holde et seminar. Etterpå sa folk: «Vet du at det er et assistentprofessorat som åpner i evolusjonær utviklingsbiologi? Du bør søke."

Jeg var helt fornøyd på Cambridge. Jeg hadde nettopp fått fire års midler til forskning. Ærlig talt trodde jeg ikke at jeg skulle få jobben fordi jeg hadde en ganske klar ide om hva Harvard lette etter, og det så ikke ut som meg. Jeg ble overrasket over å få et tilbud.

I løpet av få år har du vunnet en periode. Faktisk ble du den første svarte kvinnen som ble ansatt i biologiske vitenskaper ved Harvards fakultet for kunst og vitenskap. Føltes det bra - eller som en byrde?

Både. Hør her, dette var ikke første gang i mitt liv at jeg har vært en «første». Å være den eneste svarte kvinnen i et helt hvitt miljø er egentlig historien om mitt profesjonelle liv. Mitt valgte arbeidsfelt er overveiende hvitt. Ofte, når jeg gjør noe profesjonelt, er jeg den første svarte kvinnen som har gjort det. Det er ikke en refleksjon på meg. Det er en refleksjon på feltet.

Har du opplevd noen skjevhet ved Harvard?

Jeg har ikke opplevd en enorm mengde bevisst blokkering eller målrettet diskriminering. Men ting skjer ofte. Jeg dukker opp ved døren for å få noe og får beskjed om å bruke serviceinngangen. "Å, jeg er her for [Harvard] Corporation-middagen," forklarer jeg. "Å ja, serviceinngangen er rundt baksiden."

Eller jeg er hovedtaler på en konferanse. Jeg går til resepsjonen og hører: "Venter du på noen?"

Det er så konstant. Å si at vi skal reagere som "det er vann fra ryggen til en and" innebærer at det ikke er noen rester igjen. Det er en enorm opphopning av arrvev. Jeg kan ikke bruke hjerneplassen min til å holde hver eneste av disse fordi jeg trenger hjerneplassen min til å gjøre andre ting.

Det er velkjent at relativt få svarte amerikanere studerer for avanserte grader i STEM-disiplinene. De er 14 % av befolkningen og likevel bare 7 % av doktorgradsstudentene i naturvitenskap og ingeniørfag. Basert på det du har sett, hvorfor er det en slik forskjell?

En årsak er fordi de eksperimentelle og de teoretiske vitenskapene for det meste er tuftet på en lærling- eller portvaktmodell. Man får tilgang til en karriere gjennom en mentor eller en rådgiver. Trenerne velger traineer som de identifiserer seg med. Hvis portvaktene er av en bestemt gruppe, foreviger de den gruppen.

Er du i stand til å bruke posisjonen din til å støtte minoriserte studenter som er interessert i naturfag?

Jeg gjør mitt beste for å stille opp for dem. Jeg prioriterer å snakke med minoriserte elever når de trenger det. For de minoriserte studentene er det viktig å gi et positivt nærvær og et villig øre.

Når det er sagt, stiller jeg opp for alle elevene mine. For studentene i flertall er jeg ofte den første svarte professoren de noen gang har hatt. Det er viktig for dem å kjenne meg.

Om den andre delen av livet ditt - musikk. Mater musikken din vitenskapen din i det hele tatt?

Jeg vil ikke si det - men når jeg synger, får hjernen og kroppen min en pause fra vitenskapen.

Og vice versa. Begge sysler er ekstremt krevende og absorberende på forskjellige måter. Å bytte aktiviteter gir en del av meg en sjanse til å hvile og fylle bensin og tenke over ting i underbevisstheten mens jeg er engasjert med noe annet. De underbevisste tingene kan komme tilbake til overflaten når jeg kommer tilbake.

Der det er kanskje noe overlapping er i virkeligheten at de begge er kreative problemløsende bedrifter. I kunsten har du noe å kommunisere. Du velger mediet. Du prøver å perfeksjonere uttrykket ditt, og du går ut og gjør det. I naturfag samler du ressursene dine, svarer på et spørsmål og formidler det til verden. På den måten er de litt like.

Du opptrådte i desember på Lincoln Center i New York som en del av et ensemble som presenterte Handel's Messias. Hvordan forbereder du deg til en slik forestilling?

For å være ærlig med deg, forestiller jeg meg suksess. Mens vi venter bak scenen på inngangen vår, ser jeg for meg slutten på showet og applausen. Jeg ser for meg stående applaus og se menneskene på første rad med gledesuttrykk i ansiktet. Jeg ser for meg selv under forestillingen: føler meg fri, føler meg fylt av musikken, føler at kroppen min er et kar for formidling av musikken.

Har du noen gang angret på at når du hadde sjansen, flyttet du ikke til Sveits og drev med musikk på heltid?

Nei. Vitenskapen var et valg som har ført meg til en fantastisk og spennende karriere: Jeg får bruke mesteparten av tiden min på å prøve å forstå opprinnelsen til flercellet liv og kjønnsceller, og det er faktisk min betalte jobb å gjøre dette! Jeg ønsker å fortsette å velge dette. Det er superinteressant og morsomt.