En multitalentet videnskabsmand søger oprindelsen til flercellethed | Quanta Magasinet

In Cassandra Extavours kontor på Harvard University hænger et plakat med et malet regnbueflag og en venlig invitation.

"Du er velkommen her," lyder det.

"Jeg har det, fordi jeg synes, det er vigtigt at lade folk se dine identiteter, især når disse identiteter ikke er godt repræsenteret," forklarede Extavour, en evolutionær genetiker, der i 2014 blev den første sorte kvinde, der vandt embedsperiode i de biologiske videnskaber på Harvard's. Det Kunst- og Naturvidenskabelige Fakultet.

Extavour har selv flere identiteter, både professionelt og personligt, nok til at kvalificere sig som en ægte renæssancekvinde. Hun er efterforsker ved Howard Hughes Medical Institute, men også en klassisk uddannet sopran, der optræder med Boston Landmarks Orchestra og Handel and Haydn Society.

Ud over undervisning og sang forsker Extavour i biokemi og genetik af det tidligste liv på jorden. Hun vil vide, hvordan de første celler udviklede sig og til sidst udviklede sig til flercellede organismer. Hvilke cellulære mekanismer gjort komplekst liv muligt? spørger hun. Mere specifikt, hvilken særlig indflydelse kan kønsceller - som laver æg eller sæd, overføre genetisk information fra forældre til afkom - have haft i udviklingen af ​​flercellet liv?

Hendes laboratoriearbejde, der kombinerer eksperimenter og avanceret matematik, har vundet hendes udbredte opmærksomhed blandt evolutionære biologer.

I hendes 2000 doktorafhandling, viste Extavour, at kønsceller konkurrerer om chancen for at bringe deres information til næste generation. I hendes laboratorium på Harvard, har hun vist, at bakterier spillede en rolle i at skabe de gener, der var vigtige for at etablere kimcellelinjer i større, mere komplekst liv. Senest, mens de studerede insekters æg, væltede Extavour og hendes team en udbredt antagelse om, hvad der driver den store mangfoldighed i cellulære former.

"Jeg er meget nysgerrig efter oprindelsen af ​​flercellet liv på Jorden," forklarede Extavour i et nyligt Zoom-interview fra hendes kontor i Cambridge. "Jeg ved, at jeg aldrig vil se det. Men jeg tænker meget over det.”

Quanta talte med hende i tre separate interviews i det sene efterår. Interviewene er blevet komprimeret og redigeret for klarhedens skyld.

Da din forskning er fokuseret på begyndelser, lad os starte med din. Hvor voksede du op?

Toronto, i det der dengang var et arbejderkvarter kaldet Annexet. Det var næsten udelukkende besat af immigrantfamilier fra hele verden.

Var du et af de børn, der altid vidste, at de ville vokse op og blive videnskabsmand?

Nej. Jeg forestillede mig, at jeg ville blive musiker. Eller måske en danser. Jeg spillede ståltrommer fra jeg var 4. Jeg kunne læse noder i en meget ung alder. Jeg tog blæseinstrumenter i folkeskolen. Senere studerede jeg stemme.

Der var bare meget musik i min barndom. Min far, en immigrant fra Trinidad, støttede familien som tekniker hos CBC, Canadian Broadcasting Company. Men han var også professionel musiker. Han holdt koncerter jævnligt. Jeg optrådte med ham.

Inden for familien var der følelsen af, at mine søskende og jeg kunne gøre alt, hvad vi ville – det være sig at mestre et nyt instrument eller få adgang til byens bedste gymnasium. Hvis jeg udtrykte interesse for noget, var svaret: "Gå på biblioteket, lær alt om det og lav en plan."

Din familie lyder bemærkelsesværdig.

Familiehistorien var, at vi var mennesker fra ydmyg oprindelse, men talentfulde, kraftfulde og utroligt kreative.

Vi er bestemt opdraget med tanken om, at vi var anderledes, specielle, men det kan andre måske ikke genkende. Vores forældre lærte os: "Verden vil ikke altid værdsætte dig for den, du er. Lad ikke det forhindre dig i at leve det bedste liv, du kan."

Var det udfordrende at vokse op i en racefamilie i 1970'ernes Canada?

Fra en tidlig alder forstod jeg, at mange mennesker ikke kunne lide, at min far var sort og min mor var hvid. Min mors familie var ikke begejstrede for, at hun havde giftet sig med en sort mand og havde fire sorte børn. Det tog dem tid at acceptere det.

Set i bakspejlet er jeg kommet til at indse, at vores families udenforstående gav mig mange nyttige værktøjer. For eksempel vidste jeg fra en tidlig alder, at omverdenen kunne være fjendtlig over for mig, og derfor kunne jeg ikke regne med den for præcis feedback. Jeg fik meget tidlig øvelse i at beslutte mig selv, om noget var godt eller dårligt - eller interessant. Det er et enormt aktiv, når du designer eksperimenter.

I betragtning af din tidlige interesse for at optræde, hvordan kom en interesse for genetik ind i dit liv?

Helt tilfældigt. I mit første år på college, på University of Toronto, befandt jeg mig i en situation, hvor jeg hurtigt skulle vælge en hovedfag. Jeg sang i kor på det tidspunkt, og jeg spurgte naboen, der sad ved siden af ​​mig, hvad hendes var. "Genetik," sagde hun. Det var en fuldstændig tilfældig beslutning.

Men en heldig en?

Ja. Fordi genetik hovedfag var forpligtet til at tage biokemi. Jeg havde tidligere taget biologiklasser, men jeg syntes, at de - i hvert fald den måde, de blev undervist på - var en usammenhængende liste over ting, der skulle huskes.

Biokemi var på den anden side et spændende logisk puslespil. Der var alle disse forskellige dele - proteiner, mitokondrier, gener - og de arbejdede alle sammen om at lave en celle, der kunne gøre ting. Spillet gik ud på at finde ud af, hvordan brikkerne arbejdede sammen. Jeg fandt det fuldstændig engagerende.

Nu var jeg ikke vokset op i et akademisk miljø. Jeg vidste ikke noget om forskerkarrierer, eller at det job, jeg har i dag, overhovedet eksisterede.

Men jeg spurgte rundt i skolen, og en af ​​de ældre studerende sagde til mig: "Hvis du vil lave seriøs genetik, bliver du nødt til at gå på efterskole og få en doktorgrad."

Du valgte at lave dine kandidatstudier i Europa. Hvorfor der?

Jeg valgte det autonome universitet i Madrid, fordi jeg ønskede at blive flydende i spansk, og fordi jeg ville studere med Antonio García-Bellido, en af ​​de fremtrædende udviklingsgenetikere i det 20. århundrede. Da jeg læste hans papirer, syntes han at tænke på udvikling på en måde, som ingen andre gjorde.

Når man senere tænkte over den beslutning, virkede det set i bakspejlet som et klogt valg af en anden grund. Hvis jeg havde udført mit kandidatarbejde i USA, hvilket jeg blev opfordret til at gøre, ville det have gjort kandidatskolen vanskeligere, end den allerede var. I USA mærker man det konstante angreb af raceopdeling.

Doktorafhandlingen, du lavede under García-Bellido, om udvælgelse i frugtfluens kimlinje, havde en enorm indflydelse på udviklingsgenetik. Hvorfor var det sådan en blockbuster?

Fordi jeg leverede direkte eksperimentel bevis for noget, der længe havde været hypotese, men ikke tidligere vist. Nemlig at ligesom hele dyr kan være underlagt naturlig selektion, hvor pasformen overlever bedre end de mindre fitte, kan individuelle kønsceller inden for et udviklende dyr gøre det samme.

Kimceller er fascinerende, fordi de er en særlig nyhed af flercellede organismer. Næsten alle større succesrige flercellede livsformer formerer sig med kønsceller. De er, hvordan gener overføres fra en generation til en anden. Det er det, der giver cellerne evnen til at klæbe sammen eller danne et stort flercellet konglomerat som en banan eller en person.

Så du beviste, at kønscellerne i frugtfluerne konkurrerede. Men på hvilken måde? Hvad var karakteren af ​​deres konkurrence?

På grund af mutationer, der opstår spontant i væv, kan de forskellige kønsceller i en organisme have lidt forskellige gener. Disse mutationer kan påvirke, hvor godt kønscellerne vokser og producerer succesrige æg eller sædceller, hvilket sætter dem i konkurrence med hensyn til naturlig selektion. Men det viser sig, at mange af de samme gener også påvirker udviklingsprocesser i resten af ​​kroppen. Så denne udvælgelsesproces blandt kønscellerne kan have store effekter på det producerede afkoms sundhed og kondition gennem hele deres liv.

Din afhandling havde stærke implikationer for evolutionær biologi, gjorde det ikke?

Det gjorde. Det er virkelig vigtigt at forstå, hvordan du udvikler et genetisk program for at lave den lille delmængde af reproduktive celler.

Meget af min efterfølgende karriere har været styret af at ville forstå, hvordan en enkelt celle, det befrugtede æg, skaber en kompleks flercellet voksen, der består af millioner af celler. Jeg forsøger at finde ud af, hvordan de forskellige typer celler i organismer først opstod.

Blandt de spørgsmål, jeg stiller, er: Hvordan ved de, hvad de skal gøre? Hvilke gener bruger de til at gøre dette? Og siden det første liv på Jorden var encellet, hvordan udviklede multicellulære gener og celletyper sig i første omgang?

Hvad blev der af dine musikalske interesser, mens du forsøgte at forstå kønsceller?

Undervejs fandt jeg måder at lave både videnskab og musik på. Mens jeg arbejdede i Madrid og senere, da jeg tog en postdoc ved Cambridge i Storbritannien, studerede jeg stadig stemme. Desuden deltog jeg i auditions og optrådte i shows i weekenden.

Mens jeg arbejdede på min doktorgrad og under min postdoc, var min stemmelærer i Schweiz. Han havde andre studerende i Madrid, og han kom til Spanien hver sjette uge eller deromkring for at arbejde med os. Nogle gange fløj jeg til Basel for at få undervisning. Jeg ville optage hans lektioner og studere dem bagefter.

Selvfølgelig var der øjeblikke, hvor disse to interesser var modstridende. Efter at jeg var færdig med min doktorgrad, opfordrede min stemmelærer mig til at hellige mig fuld tid til at synge. "Du er 26 nu," sagde han. "Det er tid til at gøre alvor af din stemme. Det er nu eller aldrig."

Jeg overvejede hans argument. Men jeg havde denne store interesse for biologi. I slutningen af ​​dagen måtte jeg finde en måde at gøre begge dele på.

Heldigvis, som både kandidatstuderende og postdoc, havde jeg meget højtstående hovedefterforskere, som gav mig en masse uafhængighed. Så længe jeg lavede arbejdet på det forventede høje niveau, kunne jeg lave mit eget skema.

Det kan betyde, at jeg bruger et par ekstra nætter i laboratoriet for at få frugtfluerne i form, fordi jeg ikke ville være i stand til at passe dem, mens jeg var på turné med et show. Eller at have fluerne med i tasken, så jeg ikke behøvede at stoppe et eksperiment.

Du tog din postdoc hos zoologen Michael Akam ved Cambridge. I en æra, hvor biokemi er fremherskende, kan studiet af hele dyr nogle gange virke som en tilbagevenden til et andet århundrede. Hvorfor valgte du det?

Fordi jeg ville tage resultaterne i min afhandling til næste skridt. Afhandlingen undersøgte, hvordan kønsceller opførte sig i ét dyr. I Cambridge spurgte jeg, hvordan kønsceller opførte sig i alle dyr, og hvordan de udviklede sig. For at gøre det studerede jeg søpindsvin, krebsdyr og søanemoner i laboratoriet. Så læste jeg den historiske litteratur, næsten alt udgivet om kønscellerne fra hundredvis af forskellige arter.

Gennem min karriere har jeg forsøgt at bygge videre på tidligere resultater, og det betyder nogle gange at gå uden for den oprindelige disciplin eller strække dens definitioner. Lige nu, i mit laboratorium, forsøger vi at forstå udviklingen af ​​udvikling ved at overveje mere end gener.

Vi inddrager økologi og miljø i vores studier. I stedet for bare at studere frugtfluer isoleret ser vi på de mikrober, der lever inde i fluerne, og de planter, som fluerne lever af. Med dette arbejde håber vi at forstå, hvordan udviklingsprocesserne kan udvikle sig i virkelige miljøer.

Hvad vil du sige er de vigtigste resultater, der kommer fra dit Harvard-laboratorium?

For det første at vise, at celle-celle-signalering ikke er en usædvanlig måde for dyr at gøre det generere embryonale kønsceller — det vil sige celler, der bliver til æg og sæd. Ideen, der dominerede lærebøger i det meste af det 20. århundrede, var, at hos insekter og de fleste andre dyr etablerede en "kimplasma" i ægget en tydelig afstamning af kimceller meget tidligt i udviklingen. Men vi viste, at i fårekyllinger induceres kropsceller til at ændre sig til kønsceller af signaler fra det omgivende væv. Det er også, hvad der sker hos mus og andre pattedyr, men det blev antaget at være en ny mekanisme, der sjældent optrådte i evolutionen.

For det andet opdagede i 2020, at de længe forsvundne slægtninge til Oskar, et gen, der er meget berømt for sin væsentlige rolle i insekternes reproduktion, faktisk var fra bakterier, ikke kun fra tidligere dyr. Dette gen udviklede sig ved fusion af bakterielle genomsekvenser med dyregenomsekvenser. Det tyder på, at forløberne til Oskar havde meget forskellige funktioner, muligvis i udviklingen af ​​nervesystemet, og at yderligere undersøgelse af, hvordan det udviklede sit nye formål, kunne være yderst informativt.

For det tredje, forfalskning af århundrede gamle "love", der forudsagde former for biologiske strukturer. Insektæg varierer enormt, med otte størrelsesordener i størrelse og med vildt forskellige former. Tidligere antagelser var, at en universel "lov" af en art, der gjaldt for alle dyr, kunne forklare udviklingen af ​​cellernes former og størrelser og strukturer lavet af celler. I tilfældet med æg var der mange tidligere hypoteser om, hvad disse love var, herunder for eksempel, at æggenes dimensioner afspejlede kravene til udviklingshastigheden eller den voksne kropsstørrelse for hver art.

Men vi konstruerede et enestående datasæt med over 10,000 målinger af insektæg og fandt ud af, at det, der virkelig bedst forudsagde størrelsen og formen af ​​et æg, var, hvor det ville blive lagt. Æg lagt på jorden eller under bladees er dybest set elliptiske. Æg lagt i vandet har tendens til at være mindre og mere kugleformede. Parasitoide æg lagt inde i andre insekter er også små, men asymmetriske.

Hvordan kom du til at flytte dit arbejde fra Cambridge til Harvard?

I 2003 inviterede Harvard mig til at holde et seminar. Bagefter sagde folk: "Ved du, at der er et adjunktstilling i evolutionær udviklingsbiologi? Du bør søge."

Jeg var helt glad i Cambridge. Jeg havde lige fået fire års støtte til forskning. Helt ærligt troede jeg ikke, at jeg ville få jobbet, fordi jeg havde en ret klar idé om, hvad Harvard ledte efter, og det lignede ikke mig. Jeg var overrasket over at modtage et tilbud.

Inden for få år vandt du embedsperiode. Faktisk blev du den første sorte kvinde, der blev ansat i de biologiske videnskaber på Harvards fakultet for kunst og videnskab. Føltes det godt - eller som en byrde?

Begge. Hør her, det var ikke første gang i mit liv, at jeg har været en "første". At være den eneste sorte kvinde i et helt hvidt miljø er i bund og grund historien om mit professionelle liv. Mit valgte arbejdsområde er overvejende hvidt. Ofte, når jeg gør noget professionelt, er jeg den første sorte kvinde, der har gjort det. Det er ikke en refleksion på mig. Det er en refleksion på banen.

Har du oplevet nogen bias på Harvard?

Jeg har ikke oplevet en enorm mængde bevidst blokering eller målrettet diskrimination. Men der sker ofte ting. Jeg dukker op ved døren efter noget og får besked på at bruge serviceindgangen. "Åh, jeg er her til [Harvard] Corporation-middagen," forklarer jeg. "Åh ja, serviceindgangen er bagved."

Eller jeg er hovedtaler ved en konference. Jeg går hen til receptionen og hører: "Venter du på nogen?"

Det er så konstant. At sige, at vi skal reagere som "det er vand fra en ands ryg", indebærer, at der ikke er nogen rester tilbage. Der er en enorm ophobning af arvæv. Jeg kan ikke bruge mit hjernerum til at holde hver eneste af dem, fordi jeg har brug for mit hjernerum til at gøre andre ting.

Det er velkendt, at relativt få sorte amerikanere studerer for avancerede grader i STEM-disciplinerne. De er 14 % af befolkningen og alligevel kun 7 % af ph.d.-studerende i naturvidenskab og ingeniørvidenskab. Baseret på hvad du har set, hvorfor er der så en forskel?

En af grundene er, at de eksperimentelle og de teoretiske videnskaber for det meste er baseret på en lærlinge- eller portvagtmodel. Man får adgang til en karriere gennem en mentor eller en rådgiver. Trænerne vælger praktikanter, som de identificerer sig med. Hvis portvagterne er af en bestemt gruppe, foreviger de den gruppe.

Er du i stand til at bruge din position til at støtte mindretalte studerende, der er interesseret i naturvidenskabelige karrierer?

Jeg gør mit bedste for at dukke op for dem. Jeg prioriterer at tale med mindretalte elever, når de har brug for det. For de mindretalte elever er det vigtigt at give et positivt nærvær og et villigt øre.

Når det er sagt, dukker jeg op for alle mine elever. For de studerende i flertal er jeg ofte den første sorte professor, de nogensinde har haft. Det er vigtigt for dem at kende mig.

Om den anden del af dit liv - musik. Nærer din musik overhovedet din videnskab?

Det ville jeg ikke sige - selvom når jeg synger, får min hjerne og krop en pause fra videnskaben.

Og omvendt. Begge sysler er ekstremt krævende og absorberende på forskellige måder. At skifte aktiviteter giver en del af mig en chance for at hvile og tanke op og tænke over ting i underbevidstheden, mens jeg er i gang med noget andet. De underbevidste ting kan komme tilbage til overfladen, når jeg vender tilbage.

Hvor der måske er noget overlap, er i virkeligheden, at de begge er kreative problemløsningsvirksomheder. I kunsten har du noget at kommunikere. Du vælger mediet. Du forsøger at perfektionere dit udtryk for det, og du går ud og gør det. I naturvidenskaben samler du dine ressourcer, besvarer et spørgsmål og kommunikerer det til verden. På den måde ligner de lidt hinanden.

Du optrådte i december i Lincoln Center i New York som en del af et ensemble, der præsenterede Handels Messias. Hvordan forbereder man sig til sådan en forestilling?

For at være ærlig over for dig, forestiller jeg mig succes. Mens vi venter backstage på vores entre, ser jeg i mit sind slutningen af ​​showet og bifaldet. Jeg forestiller mig stående ovationer og se folkene på forreste række med glædesudtryk i ansigtet. Jeg forestiller mig under forestillingen: at føle mig fri, at føle mig fyldt med musikken, at føle at min krop er et kar for musikkens kommunikation.

Føler du nogensinde fortrudt, at da du havde chancen, flyttede du ikke til Schweiz og dyrkede musik på fuld tid?

Nej. Videnskaben var et valg, der har ført mig til en fantastisk og spændende karriere: Jeg kommer til at bruge det meste af min tid på at prøve at forstå oprindelsen af ​​flercellet liv og kønsceller, og det er faktisk mit betalte job at gøre dette! Jeg vil blive ved med at vælge dette. Det er super interessant og sjovt.