Un om de știință multitalentat caută originile multicelularității | Revista Quanta

In Cassandra ExtavourBiroul lui de la Universitatea Harvard atârnă o pancartă cu un steag curcubeu pictat și o invitație prietenoasă.

„Sunteți bineveniți aici”, scrie.

„Întreg pentru că cred că este important să-i lași pe oameni să-ți vadă identitățile, mai ales când acele identități nu sunt bine reprezentate”, a explicat Extavour, un genetician evoluționist care în 2014 a devenit prima femeie de culoare care a câștigat un mandat în științe biologice la Harvard. Facultatea de Arte și Științe.

Extavour însăși are identități multiple, atât profesional, cât și personal, suficiente pentru a se califica drept o adevărată femeie renascentist. Este un investigator al Institutului Medical Howard Hughes, dar și o soprană de pregătire clasică, care cântă cu Boston Landmarks Orchestra și Societatea Handel și Haydn.

Dincolo de predare și cânt, Extavour cercetează biochimia și genetica primelor vieți de pe pământ. Ea vrea să știe cum s-au dezvoltat primele celule și, în cele din urmă, au evoluat în organisme multicelulare. Ce mecanisme celulare a făcut posibilă viața complexă? ea intreaba. Mai precis, ce influență specială ar putea avea celulele germinale – care produc ovule sau spermatozoizi, transmitând informații genetice de la părinți la descendenți – în dezvoltarea vieții multicelulare?

Lucrările ei de laborator, care combină experimentarea și matematica avansată, i-au câștigat atenția pe scară largă în rândul biologilor evoluționari.

În 2000 disertatie doctorala, Extavour a arătat că celulele germinale concurează pentru șansa de a-și aduce informațiile următoarei generații. În laboratorul ei de la Harvard, ea a arătat că bacteriile au jucat un rol în crearea genelor care au fost importante pentru stabilirea liniilor de celule germinale în viața mai mare și mai complexă. Cel mai recent, în timp ce studiau ouăle de insecte, Extavour și echipa ei au răsturnat o presupunere larg răspândită despre ceea ce determină marea diversitate a formelor celulare.

„Sunt foarte curios despre originile vieții multicelulare pe Pământ”, a explicat Extavour într-un interviu recent Zoom din biroul ei din Cambridge. „Știu că nu o voi vedea niciodată. Dar mă gândesc mult la asta.”

Cuante a vorbit cu ea în trei interviuri separate la sfârșitul toamnei. Interviurile au fost condensate și editate pentru claritate.

Deoarece cercetarea ta se concentrează pe începuturi, să începem cu ale tale. Unde ai crescut?

Toronto, în ceea ce era atunci un cartier muncitoresc numit Anexa. A fost ocupată aproape în întregime de familii de imigranți din întreaga lume.

Ai fost unul dintre acei copii care au știut mereu că vor să crească pentru a deveni om de știință?

Nu. Mi-am imaginat că voi fi muzician. Sau poate un dansator. Am cântat la tobe de oțel de când aveam 4 ani. Știam să citesc muzică la o vârstă foarte fragedă. Am luat instrumente de suflat în școala elementară. Mai târziu, am studiat vocea.

Era doar multă muzică în copilăria mea. Tatăl meu, un imigrant din Trinidad, a întreținut familia ca tehnician la CBC, Canadian Broadcasting Company. Dar a fost și muzician profesionist. A ținut concerte în mod regulat. Am jucat cu el.

În familie, a existat sentimentul că frații mei și cu mine am putea face orice ne-am propus – fie să stăpânim un instrument nou sau să obținem admiterea la cel mai bun liceu din oraș. Dacă îmi exprimam interesul pentru ceva, răspunsul a fost: „Mergi la bibliotecă, învață totul despre asta și fă un plan”.

Familia ta sună remarcabil.

Povestea familiei a fost că eram oameni de origini umile, dar talentați, puternici și incredibil de creativi.

Cu siguranță am fost crescuți cu ideea că suntem diferiți, speciali, dar alții ar putea să nu recunoască asta. Părinții noștri ne-au învățat: „Lumea nu te va aprecia întotdeauna pentru ceea ce ești. Nu lăsa asta să te împiedice să trăiești cea mai bună viață pe care o poți.”

A fost o provocare să crești într-o familie interrasială în Canada din anii 1970?

De la o vârstă fragedă, am înțeles că multor oameni nu le-a plăcut faptul că tatăl meu era negru și mama era albă. Familia mamei mele nu era încântată că se căsătorise cu un bărbat de culoare și avea patru copii de culoare. Le-a luat timp să accepte.

Privind retrospectiv, am ajuns să realizez că exterioritatea familiei noastre mi-a oferit multe instrumente utile. De exemplu, am știut de la o vârstă fragedă că lumea exterioară mi-ar putea fi ostilă și, prin urmare, nu puteam conta pe ea pentru feedback precis. Am avut o mulțime de exersare timpurie pentru a decide pentru mine dacă ceva era bun sau rău - sau interesant. Acesta este un atu extraordinar atunci când proiectați experimente.

Având în vedere interesul tău timpuriu pentru performanță, cum a apărut interesul pentru genetică în viața ta?

Complet din întâmplare. În primul meu an de facultate, la Universitatea din Toronto, m-am trezit într-o situație în care trebuia rapid să-mi aleg o specializare. Cântam în refren în acel moment și am întrebat-o pe vecina care stătea lângă mine care este al ei. — Genetica, spuse ea. A fost o decizie complet întâmplătoare.

Dar unul norocos?

Da. Pentru că specialiştii în genetică au fost obligaţi să urmeze biochimie. Am luat anterior cursuri de biologie, dar le-am găsit – cel puțin modul în care au fost predate – a fi o listă neconectată de lucruri de memorat.

Biochimia, pe de altă parte, a fost un puzzle logic captivant. Existau toate aceste părți diferite - proteine, mitocondrii, gene - și toate au lucrat împreună pentru a face o celulă care să facă lucruri. Jocul era să descopere cum funcționează piesele împreună. Am găsit asta total captivant.

Acum, nu am crescut într-un mediu academic. Nu știam nimic despre carierele de cercetare sau că jobul pe care îl am astăzi chiar exista.

Dar am întrebat în jurul școlii și unul dintre elevii mai mari mi-a spus: „Dacă vrei să faci genetică serioasă, va trebui să mergi la școală și să obții un doctorat”.

Ai ales să-ți faci studiile postuniversitare în Europa. De ce acolo?

Am ales Universitatea Autonomă din Madrid pentru că am vrut să vorbesc fluent spaniola și pentru că am vrut să studiez cu Antonio García-Bellido, unul dintre cei mai importanți geneticieni de dezvoltare ai secolului al XX-lea. Când i-am citit lucrările, părea să se gândească la dezvoltare într-un mod în care nimeni altcineva nu o făcea.

Gândindu-mă la acea decizie mai târziu, în retrospectivă mi s-a părut o alegere înțeleaptă din alt motiv. Dacă mi-aș fi făcut munca de absolvent în Statele Unite, ceea ce am fost încurajat să o fac, asta ar fi făcut școala de absolvire mai dificilă decât era deja. În SUA simțiți atacul constant al diviziunii rasiale.

Teza de doctorat pe care ați realizat-o sub García-Bellido, despre selecția în linia germinativă a muștei fructelor, a avut un impact uriaș asupra geneticii dezvoltării. De ce a fost un astfel de blockbuster?

Pentru că am furnizat dovezi experimentale directe pentru ceva care fusese de mult ipotetizat, dar nu a fost arătat anterior. Și anume, la fel cum animalele întregi pot fi supuse selecției naturale, în cazul în care potrivirea supraviețuiește mai bine decât cele mai puțin potrivite, celulele germinale individuale dintr-un animal în curs de dezvoltare pot face același lucru.

Celulele germinale sunt fascinante pentru că sunt o noutate specială a organismelor pluricelulare. Aproape fiecare formă de viață multicelulară majoră de succes se reproduce cu celule germinale. Ele sunt modul în care genele se transmit de la o generație la alta. Ele sunt cele care oferă celulelor capacitatea de a se lipi împreună sau de a forma un mare conglomerat multicelular precum o banană sau o persoană.

Deci ai demonstrat că celulele germinale din muștele fructelor concurează. Dar în ce fel? Care a fost natura competiției lor?

Din cauza mutațiilor care apar spontan în țesuturi, diferitele celule germinale dintr-un organism pot avea gene ușor diferite. Aceste mutații pot afecta cât de bine cresc celulele germinale și produc ovule sau spermatozoizi de succes, ceea ce le pune în competiție în ceea ce privește selecția naturală. Dar se dovedește că multe dintre aceleași gene afectează și procesele de dezvoltare în restul corpului. Deci, acest proces de selecție între celulele germinale poate avea efecte majore asupra sănătății și aptitudinii puilor produși de-a lungul vieții lor.

Teza ta a avut implicații puternice pentru biologia evoluționistă, nu-i așa?

A facut. Înțelegerea modului în care evoluezi un program genetic pentru a face acel subset mic de celule reproductive este cu adevărat importantă.

O mare parte din cariera mea ulterioară a fost ghidată de dorința de a înțelege cum o singură celulă, ovulul fertilizat, creează un adult multicelular complex format din milioane de celule. Încerc să-mi dau seama cum au apărut mai întâi diferitele tipuri de celule din organisme.

Printre întrebările pe care le pun este: De unde știu ei ce să facă? Ce gene folosesc pentru a face asta? Și din moment ce prima viață pe Pământ a fost unicelulară, cum au evoluat genele multicelulare și tipurile de celule în primul rând?

Ce s-a întâmplat cu interesele tale muzicale în timp ce ai încercat să înțelegi celulele germinale?

Pe tot parcursul drumului, am găsit modalități de a face atât știință, cât și muzică. În timp ce lucram la Madrid și mai târziu când am făcut un post-doctorat la Cambridge în Marea Britanie, am studiat în continuare vocea. Mai mult, am participat la audiții și am jucat în spectacole în weekend.

În timp ce lucram la doctorat și în timpul postdoc, profesorul meu de voce a fost în Elveția. Avea alți studenți la Madrid și venea în Spania la fiecare șase săptămâni sau cam așa ceva să lucreze cu noi. Uneori, zburam la Basel pentru lecții. I-aș înregistra lecțiile și le-aș studia după aceea.

Desigur, au fost momente în care aceste două interese au fost în contradicție. După ce mi-am terminat doctoratul, profesorul meu de voce m-a îndemnat să mă dedic cu normă întreagă cântului. „Acum ai 26 de ani”, a spus el. „Este timpul să fii serios în privința vocii tale. E acum ori niciodată."

Am luat în considerare argumentul lui. Dar am avut acest mare interes pentru biologie. La sfârșitul zilei, a trebuit să găsesc o modalitate de a le face pe amândouă.

Din fericire, atât ca student absolvent, cât și ca post-doctorat, am avut investigatori principali foarte seniori care mi-au oferit multă independență. Atâta timp cât făceam munca la nivelul înalt așteptat, îmi puteam face propriul program.

Asta ar putea însemna să petrec câteva nopți în plus în laborator pentru a pune muștele de fructe în formă, deoarece nu aș putea să le îngrijesc în timpul turneului cu un spectacol. Sau purtând muștele cu mine în geantă, ca să nu fiu nevoită să opresc un experiment.

Ți-ai făcut postdoctoratul cu zoologul Michael Akam la Cambridge. Într-o epocă în care predomină biochimia, studiul animalelor întregi poate părea uneori o întoarcere la un alt secol. De ce ai ales-o?

Pentru că am vrut să duc concluziile disertației mele la pasul următor. Teza a examinat modul în care celulele germinale s-au comportat la un animal. La Cambridge, am întrebat cum s-au comportat celulele germinale la toate animalele și cum au evoluat. Pentru a face asta, am studiat aricii de mare, crustaceele și anemonele de mare în laborator. Apoi am citit literatura istorică, cam tot ce s-a publicat despre celulele germinale a sute de specii diferite.

De-a lungul carierei mele, am încercat să mă bazez pe descoperirile anterioare, iar asta înseamnă uneori să ies în afara disciplinei originale sau să-i extind definițiile. Chiar acum, în laboratorul meu, încercăm să înțelegem evoluția dezvoltării luând în considerare mai mult decât genele.

Încorporăm ecologia și mediul în studiile noastre. În loc să studiem doar muștele de fructe izolat, ne uităm la microbii care trăiesc în interiorul muștelor și la plantele cu care muștele se hrănesc. Cu această lucrare, sperăm să înțelegem modul în care procesele de dezvoltare pot evolua în medii din viața reală.

Care ați spune că sunt cele mai importante descoperiri din laboratorul dumneavoastră de la Harvard?

În primul rând, arătând că semnalizarea celulă-celulă nu este o modalitate neobișnuită pentru animale generează celule germinale embrionare — adică celule care vor deveni ovule și spermatozoizi. Ideea care a dominat manualele pentru cea mai mare parte a secolului al XX-lea a fost că la insecte și la majoritatea celorlalte animale, o „plasmă germinativă” din ou a stabilit o linie distinctă de celule germinale foarte devreme în dezvoltare. Dar am arătat că la greieri, celulele corpului sunt induse să se transforme în celule germinale prin semnale de la țesuturile din jur. Așa se întâmplă și la șoareci și la alte mamifere, dar s-a crezut că este un mecanism nou care a apărut rar în evoluție.

În al doilea rând, descoperind în 2020 că rudele de mult pierdute ale oskar, o genă foarte faimoasă pentru rolul său esențial în reproducerea insectelor, au fost de fapt din bacterii, nu doar de la animalele anterioare. Această genă a evoluat prin fuziunea secvențelor genomului bacterian cu secvențele genomului animal. Acesta sugerează că înaintașii să oskar a avut funcții foarte diferite, posibil în dezvoltarea sistemului nervos, iar studiul ulterioar al modului în care a evoluat noul său scop ar putea fi foarte informativ.

În al treilea rând, falsificarea „legilor” vechi de un secol care preziceau formele structurilor biologice. Ouăle de insecte variază enorm, cu opt ordine de mărime în mărime și cu forme extrem de diferite. Ipotezele anterioare au fost că o „lege” universală de un fel, care se aplică tuturor animalelor, ar putea explica evoluția formelor și dimensiunilor celulelor și a structurilor formate din celule. În cazul ouălor, au existat multe ipoteze anterioare despre care au fost aceste legi, inclusiv, de exemplu, că dimensiunile ouălor reflectau cerințele ratei de dezvoltare sau mărimea corpului adult pentru fiecare specie.

Dar am construit un set de date de neegalat de peste 10,000 de măsurători ale ouălor de insecte și am descoperit că ceea ce a prezis cu adevărat cel mai bine dimensiunea și forma unui ou era locul în care urma să fie depus. Ouă depuse pe pământ sau sub frunzeei sunt practic eliptice. Ouăle depuse în apă tind să fie mai mici și mai sferice. Ouăle parazitoide depuse în interiorul altor insecte sunt, de asemenea, mici, dar asimetrice.

Cum ați ajuns să vă mutați munca de la Cambridge la Harvard?

În 2003, Harvard m-a invitat să susțin un seminar. După aceea, oamenii au spus: „Știți că se deschide un profesor asistent în biologia dezvoltării evolutive? Ar trebui să aplici.”

Am fost perfect fericit la Cambridge. Tocmai primisem fonduri de patru ani pentru cercetare. Sincer, nu credeam că voi obține postul pentru că aveam o idee destul de clară despre ce caută Harvard și nu semăna cu mine. Am fost surprins să primesc o ofertă.

În câțiva ani, ai câștigat mandatul. De fapt, ai devenit prima femeie de culoare care a fost titulară în științe biologice la Facultatea de Arte și Științe din Harvard. S-a simțit bine - sau ca o povară?

Ambii. Ascultă, nu a fost prima dată în viața mea când am fost „prima”. A fi singura femeie de culoare într-un mediu alb este, în esență, povestea vieții mele profesionale. Domeniul meu de lucru ales este predominant alb. Adesea, ori de câte ori fac ceva profesional, sunt prima femeie de culoare care a făcut-o. Asta nu este o reflecție asupra mea. Asta e o reflecție pe teren.

Ați experimentat vreo părtinire la Harvard?

Nu am experimentat o cantitate uriașă de blocaj deliberat sau discriminare țintită. Dar lucrurile se întâmplă adesea. Mă voi prezenta la ușă pentru ceva și mi se spune să folosesc intrarea de serviciu. „Oh, sunt aici pentru cina [Harvard] Corporation”, explic. „Oh, da, intrarea de serviciu este în spate.”

Sau sunt vorbitorul principal la o conferință. Mă duc la recepție și aud: „Aștepți pe cineva?”

Este atât de constant. A spune că ar trebui să reacționăm ca „este apă de pe spatele unei rațe” înseamnă că nu a mai rămas niciun reziduu. Există o acumulare uriașă de țesut cicatricial. Nu-mi pot folosi spațiul creierului pentru a-i ține pe fiecare pentru că am nevoie de spațiul creierului meu pentru a face alte lucruri.

Este bine cunoscut faptul că relativ puțini americani de culoare studiază pentru diplome avansate în disciplinele STEM. Ei reprezintă 14% din populație și totuși doar 7% dintre doctoranzii în știință și inginerie. Pe baza a ceea ce ai fost martor, de ce există o asemenea disparitate?

Un motiv este că științele experimentale și teoretice sunt, în cea mai mare parte, întemeiate pe un model de ucenicie sau de gatekeeper. Se obține acces la o carieră printr-un mentor sau un consilier. Formatorii aleg cursanții cu care se identifică. Dacă paznicii sunt dintr-un anumit grup, ei perpetuează acel grup.

Puteți să vă folosiți poziția pentru a sprijini studenții minorizați interesați de cariere în știință?

Fac tot posibilul să apar pentru ei. Prioritez să vorbesc cu studenții minorizați atunci când au nevoie. Pentru studenții minorizați, este important să ofere o prezență pozitivă și o ureche dispusă.

Acestea fiind spuse, mă prezint pentru toți studenții mei. Pentru studenții în majoritate, sunt adesea primul profesor negru pe care l-au avut vreodată. Este important ca ei să mă cunoască.

Despre cealaltă parte a vieții tale - muzica. Muzica ta îți hrănește deloc știința?

N-aș spune asta - deși când cânt, creierul și corpul meu se ocupă de știință.

Si invers. Ambele activități sunt extrem de solicitante și absorbante în moduri diferite. Schimbarea activităților oferă unei părți din mine șansa de a mă odihni și de a se plimba și de a gândi lucrurile din subconștient în timp ce sunt angajat cu altceva. Lucrurile subconștiente pot reveni la suprafață când mă întorc.

Unde există, probabil, o oarecare suprapunere este în realitatea că ambele sunt întreprinderi creative de rezolvare a problemelor. În artă, ai ceva de comunicat. Tu alegi mediul. Încerci să-ți perfecționezi expresia, și ieși și o faci. În știință, vă adunați resursele, răspundeți la o întrebare și o comunicați lumii. În acest fel, ele sunt oarecum asemănătoare.

Ai cântat în decembrie la Lincoln Center din New York, ca parte a unui ansamblu de prezentare a lui Handel Mesia. Cum te pregătești pentru o astfel de performanță?

Sincer să fiu cu tine, îmi imaginez succesul. În timp ce așteptăm intrarea în culise, văd în minte finalul spectacolului și aplauzele. Îmi imaginez că fac ovații și îi văd pe cei din primul rând cu încântare pe chip. Mă imaginez în timpul spectacolului: simțindu-mă liber, simțindu-mă plin de muzică, simțind că corpul meu este un vas pentru comunicarea muzicii.

Simți vreodată regret că, atunci când ai avut ocazia, nu te-ai mutat în Elveția și nu te-ai ocupat de muzică cu normă întreagă?

Nu. Știința a fost o alegere care m-a condus la o carieră uimitoare și incitantă: îmi petrec cea mai mare parte a timpului încercând să înțeleg originile vieții multicelulare și ale celulelor germinale și, de fapt, este treaba mea plătită să fac asta! Vreau să continui să aleg asta. Este super interesant și distractiv.