Multitalent teadlane otsib mitmerakulisuse päritolu | Ajakiri Quanta

In Cassandra ExtavourHarvardi ülikooli kontoris ripub plakat maalitud vikerkaarelipu ja sõbraliku kutsega.

"Olete siia teretulnud," seisab seal.

"Mul on see valmis, sest arvan, et on oluline lasta inimestel näha teie identiteeti, eriti kui need identiteedid pole hästi esindatud," selgitas evolutsioonigeneetik Extavour, kellest 2014. aastal sai esimene mustanahaline naine, kes võitis Harvardi ülikoolis bioloogiateaduste ametikoha. Kunstide ja loodusteaduste teaduskond.

Extavouril endal on nii tööalaselt kui ka isiklikult mitu identiteeti, millest piisab tõeliseks renessansi naiseks kvalifitseerumiseks. Ta on Howard Hughesi meditsiiniinstituudi uurija, aga ka klassikalise väljaõppega sopran, kes esineb Bostoni Landmarksi orkestri ning Händeli ja Haydni ühinguga.

Lisaks õpetamisele ja laulmisele uurib Extavour maakera varaseima elu biokeemiat ja geneetikat. Ta tahab teada, kuidas esimesed rakud arenesid ja lõpuks arenesid mitmerakulisteks organismideks. Millised rakulised mehhanismid muutis keerulise elu võimalikuks? küsib ta. Täpsemalt, millist erilist mõju võis paljurakulise elu arengule avaldada sugurakud - mis toodavad mune või spermat, edastades geneetilist teavet vanematelt järglastele?

Tema laboratoorsed tööd, mis ühendavad eksperimenteerimist ja arenenud matemaatikat, on pälvinud tema laialdase tähelepanu evolutsioonibioloogide seas.

Oma 2000. aastal doktoritööExtavour näitas, et sugurakud võistlevad võimaluse pärast tuua oma teave järgmisele põlvkonnale. sisse tema labor Harvardis, on ta näidanud, et bakterid mängisid rolli geenide loomisel, mis olid olulised sugurakuliinide loomiseks suuremas ja keerulisemas elus. Viimati lükkas Extavour ja tema meeskond putukate mune uurides ümber laialt levinud oletuse selle kohta, mis põhjustab rakukujude suurt mitmekesisust.

"Olen väga uudishimulik mitmerakulise elu päritolu kohta Maal," selgitas Extavour oma Cambridge'i kontorist antud hiljutises Zoomi intervjuus. "Ma tean, et ma ei näe seda kunagi. Aga ma mõtlen sellele palju."

Quanta rääkis temaga hilissügisel kolmes eraldi intervjuus. Intervjuud on koondatud ja selguse huvides toimetatud.

Kuna teie uurimistöö keskendub algustele, alustame teie omaga. Kus sa üles kasvasid?

Torontos, tollases töölisklassi naabruses nimega Annex. Selle hõivasid peaaegu täielikult immigrantide perekonnad üle kogu maailma.

Kas olite üks neist lastest, kes teadsid alati, et tahavad saada teadlaseks?

Ei. Ma kujutasin ette, et minust saab muusik. Või äkki tantsija. Mängisin terastrumme 4-aastaselt. Ma oskasin muusikat lugeda juba väga noorelt. Puhkpillidega õppisin õppima põhikoolis. Hiljem õppisin häält.

Minu lapsepõlves oli lihtsalt palju muusikat. Minu isa, Trinidadist pärit immigrant, toetas perekonda CBC (Canadian Broadcasting Company) tehnikuna. Kuid ta oli ka professionaalne muusik. Ta andis regulaarselt kontserte. Ma esinesin temaga.

Perekonnas oli tunne, et me saame õdede-vendadega teha kõike, mille peale mõtleme – olgu selleks siis uue pilli meisterdamine või sissepääs linna parimasse keskkooli. Kui ma millegi vastu huvi tundsin, vastati: "Minge raamatukokku, õppige selle kohta kõike ja tehke plaan."

Teie perekond kõlab tähelepanuväärselt.

Perelugu oli selline, et olime tagasihoidliku päritoluga inimesed, kuid andekad, jõulised ja uskumatult loovad.

Kindlasti kasvatati meid mõttega, et oleme erinevad, erilised, aga teised ei pruugi seda ära tunda. Meie vanemad õpetasid meile: „Maailm ei hinda sind alati sellisena, nagu sa oled. Ärge laske sellel takistada teil elada parimat elu.

Kas 1970. aastate Kanadas rassidevahelises perekonnas kasvamine oli keeruline?

Juba varakult sain aru, et paljudele ei meeldi, et mu isa on must ja ema valge. Mu ema perekond ei olnud elevil, et ta abiellus mustanahalise mehega ja tal oli neli mustanahalist last. Neil kulus selle aktsepteerimiseks aega.

Tagantjärele olen aru saanud, et meie pere väliskülg andis mulle palju kasulikke tööriistu. Näiteks teadsin juba varakult, et välismaailm võib olla minu vastu vaenulik, ja seetõttu ei saanud ma sellele täpset tagasisidet loota. Sain varakult palju praktikat, et otsustada, kas miski oli hea või halb – või huvitav. See on eksperimentide kavandamisel tohutult kasulik.

Arvestades teie varajast esinemishuvi, kuidas tekkis huvi geneetika vastu teie ellu?

Täiesti juhuslikult. Kolledži esimesel aastal Toronto ülikoolis leidsin end olukorrast, kus mul oli kiiresti vaja eriala valida. Laulsin sel ajal kooris ja küsisin kõrval istuvalt naabrilt, mis tema oma on. "Geneetika," ütles ta. See oli täiesti juhuslik otsus.

Aga õnnelik?

Jah. Sest geneetika erialadel oli kohustus võtta biokeemiat. Olin varem käinud bioloogiatundides, kuid leidsin, et need – vähemalt nii, nagu neid õpetati – on lahutamatu nimekiri asjadest, mida tuleb meelde jätta.

Biokeemia oli seevastu põnev loogikamõistatus. Seal olid kõik need erinevad osad – valgud, mitokondrid, geenid – ja nad kõik töötasid koos, et luua rakk, mis teeks asju. Mängu eesmärk oli välja selgitada, kuidas tükid koos töötavad. Ma leidsin, et see on täiesti kaasahaarav.

Nüüd polnud ma akadeemilises keskkonnas üles kasvanud. Ma ei teadnud midagi teadlaskarjäärist ega sellest, et see töökoht, mis mul praegu on, üldse olemas on.

Kuid ma küsisin koolis ja üks vanem õpilane ütles mulle: "Kui tahad tõsiselt geneetikat teha, peate minema kraadiõppesse ja saama doktorikraadi."

Valisite oma kraadiõpingud Euroopas. Miks seal?

Valisin Madridi autonoomse ülikooli, kuna tahtsin saada soravalt hispaania keelt ja kuna tahtsin õppida Antonio García-Bellido, üks 20. sajandi väljapaistvamaid arengugeneetikuid. Kui ma tema pabereid lugesin, tundus, et ta mõtles arengule viisil, mida keegi teine ​​ei teinud.

Mõeldes sellele otsusele hiljem, tundus see tagantjärele tark valik muul põhjusel. Kui ma oleksin oma lõputöö teinud Ameerika Ühendriikides, mida mind julgustati tegema, oleks see muutnud kraadiõppe raskemaks, kui see juba oli. USA-s tunnete pidevat rassilise jagunemise pealetungi.

Doktoritöö, mille koostasite García-Bellido juhtimisel äädikakärbse idutee valikust, avaldas tohutut mõju arengugeneetikale. Miks see nii suur kassahitt oli?

Sest ma esitasin otseseid eksperimentaalseid tõendeid millegi kohta, mille kohta oli juba ammu hüpotees, kuid mida varem ei näidatud. Nimelt, et nii nagu terved loomad võivad alluda looduslikule valikule, kus sobiv püsib paremini kui kehvem, suudavad sama asja teha ka areneva looma sees olevad üksikud sugurakud.

Sugurakud on paeluvad, kuna need on mitmerakuliste organismide eriline uudsus. Peaaegu iga suurem edukas mitmerakuline eluvorm paljuneb sugurakkudega. Nii antakse geene ühelt põlvkonnalt teisele edasi. Need võimaldavad rakkudel kokku kleepuda või moodustada suure mitmerakulise konglomeraadi nagu banaan või inimene.

Nii et sa tõestasid, et äädikakärbeste sugurakud võistlevad. Aga mil viisil? Milline oli nende võistluse olemus?

Kudedes spontaanselt tekkivate mutatsioonide tõttu võivad organismi erinevatel sugurakkudel olla veidi erinevad geenid. Need mutatsioonid võivad mõjutada seda, kui hästi sugurakud kasvavad ja toodavad edukaid mune või spermat, mis paneb nad loodusliku valiku suhtes konkurentsi. Kuid selgub, et paljud neist samadest geenidest mõjutavad ka kogu ülejäänud keha arenguprotsesse. Seega võib sel sugurakkude seas valikuprotsessil olla suur mõju sündinud järglaste tervisele ja vormisolekule kogu nende elu jooksul.

Teie väitekirjal oli tugev mõju evolutsioonibioloogiale, kas pole?

See tegi. On tõesti oluline mõista, kuidas arendate geneetilist programmi selle väikese reproduktiivrakkude alamhulga loomiseks.

Suure osa minu edasisest karjäärist on juhtinud soov mõista, kuidas üks rakk, viljastatud munarakk, loob keeruka mitmerakulise täiskasvanud inimese, mis koosneb miljonitest rakkudest. Püüan aru saada, kuidas organismide erinevat tüüpi rakud esmakordselt tekkisid.

Küsimuste hulgas, mida ma küsin, on: Kuidas nad teavad, mida teha? Milliseid geene nad selleks kasutavad? Ja kuna esimene elu Maal oli üherakuline, siis kuidas arenesid üldse mitmerakulised geenid ja rakutüübid?

Mis sai teie muusikalistest huvidest, kui proovisite sugurakke mõista?

Kogu tee jooksul leidsin viise, kuidas teha nii teadust kui ka muusikat. Madriidis töötades ja hiljem Ühendkuningriigis Cambridge'is järeldoktorantuuris õppisin siiski häält. Lisaks käisin nädalavahetustel etendustel ja esinesin etendustel.

Sel ajal, kui töötasin doktorikraadi kallal ja järeldoktori ajal, oli mu hääleõpetaja Šveitsis. Tal oli Madridis teisi õpilasi ja ta tuli umbes iga kuue nädala tagant Hispaaniasse meiega töötama. Mõnikord lendasin Baseli tundi. Ma salvestasin tema tunnid ja uurisin neid hiljem.

Muidugi oli hetki, mil need kaks huvi olid vastuolus. Pärast doktorikraadi lõpetamist õhutas mu hääleõpetaja mind kogu aeg laulmisele pühendama. "Sa oled nüüd 26," ütles ta. "On aeg oma häält tõsiselt võtta. See on nüüd või mitte kunagi."

Ma kaalusin tema argumenti. Aga mul oli suur huvi bioloogia vastu. Päeva lõpuks pidin leidma võimaluse mõlema tegemiseks.

Õnneks olid mul nii magistrandina kui ka järeldoktorina väga kõrged juhtivad uurijad, kes andsid mulle palju iseseisvust. Kuni tegin tööd oodatud kõrgel tasemel, võisin oma ajakava koostada.

See võib tähendada, et veedan paar lisaööd laboris, et äädikakärbsed vormi saada, sest ma ei saaks etendusega ringreisil neid hooldada. Või kärbseid kotis kaasas kandma, et ei peaks katset katkestama.

Tegid oma järeldoktori zooloogiga Michael Akam Cambridge'is. Ajastul, mil domineerib biokeemia, võib tervete loomade uurimine mõnikord tunduda tagasilöögina teise sajandisse. Miks sa selle valisid?

Sest ma tahtsin oma lõputöös leidu viia järgmisesse sammu. Lõputöös uuriti, kuidas ühel loomal sugurakud käituvad. Cambridge'is küsisin, kuidas sugurakud kõigil loomadel käituvad ja kuidas nad arenesid. Selleks uurisin laboris merisiilikuid, vähilaadseid ja merianemoone. Seejärel lugesin ajaloolist kirjandust, peaaegu kõike, mis avaldati sadade erinevate liikide sugurakkude kohta.

Kogu oma karjääri jooksul olen püüdnud tugineda varasematele leidudele ja see tähendab mõnikord algsest distsipliinist väljapoole minekut või selle määratluste laiendamist. Praegu püüame minu laboris mõista arengu evolutsiooni, võttes arvesse rohkemat kui geene.

Kaasame oma õppetöösse ökoloogia ja keskkonna. Selle asemel, et äädikakärbseid eraldiseisvalt uurida, vaatleme kärbeste sees elavaid mikroobe ja taimi, millest kärbsed toituvad. Selle tööga loodame mõista, kuidas arenguprotsessid võivad reaalses keskkonnas areneda.

Mis on teie arvates teie Harvardi labori kõige olulisemad leiud?

Esiteks, näidata, et rakkude ja rakkude vaheline signaalimine ei ole loomade jaoks ebatavaline viis luua embrüonaalseid sugurakke — ehk rakud, millest saavad munarakud ja spermatosoidid. Enamiku 20. sajandi õpikutes domineeris idee, et putukatel ja enamikul teistel loomadel lõi munas olev "iduplasma" väga varajases arengujärgus selge sugurakkude liini. Kuid me näitasime, et ritsikate puhul indutseeritakse keharakud ümbritsevate kudede signaalide kaudu muutuma sugurakkudeks. See juhtub ka hiirtel ja teistel imetajatel, kuid arvati, et see on uudne mehhanism, mis ilmnes evolutsioonis harva.

Teiseks, avastades 2020. aastal, et ammu kadunud sugulased Oskargeen, mis on väga kuulus oma olulise rolli poolest putukate paljunemisel, olid tegelikult olemas bakteritest, mitte ainult varasematelt loomadelt. See geen arenes välja bakterite genoomi järjestuste liitmisel loomade genoomi järjestustega. See viitab sellele, et eelkäijad Oskar tal olid väga erinevad funktsioonid, võib-olla närvisüsteemi arengus, ja et edasine uurimine selle uue eesmärgi kujunemise kohta võib olla väga informatiivne.

Kolmandaks, sajandivanuste „seaduste” võltsimine, mis ennustasid bioloogiliste struktuuride kuju. Putukate munad on tohutult erinevad, kaheksa suurusjärku suuruse ja metsikult erineva kujuga. Varasemad eeldused olid, et mingi universaalne "seadus", mis kehtis kõikide loomade kohta, võib seletada rakkude kuju ja suuruse ning rakkudest koosnevate struktuuride arengut. Munade puhul oli palju varasemaid hüpoteese selle kohta, millised need seadused on, sealhulgas näiteks see, et munade mõõtmed peegeldasid iga liigi arengukiiruse või täiskasvanud keha suuruse nõudeid.

Kuid me koostasime võrratu andmekogu, mis hõlmas üle 10,000 XNUMX putukamunade mõõtmise ja avastasime, et kõige paremini ennustas muna suurust ja kuju see, kus see munetakse. Maapinnale või lehtede alla munetud munades on põhimõtteliselt elliptilised. Vette munetud munad kipuvad olema väiksemad ja sfäärilisemad. Ka teiste putukate sees munetud parasitoidmunad on väikesed, kuid asümmeetrilised.

Kuidas jõudsite oma töö Cambridge'ist Harvardi kolida?

2003. aastal kutsus Harvard mind seminarile. Pärast seda ütlesid inimesed: "Kas sa tead, et evolutsioonilise arengubioloogia alal on avatud dotsent? Peaksite kandideerima."

Olin Cambridge'is täiesti rahul. Olin just saanud nelja aasta pikkuse uurimistöö rahastamise. Ausalt öeldes ei uskunud ma, et saan seda tööd, sest mul oli üsna selge ettekujutus sellest, mida Harvard otsib, ja see ei näinud välja nagu mina. Olin pakkumise saades üllatunud.

Mõne aasta jooksul võitsite ametiaja. Tegelikult sai teist esimene mustanahaline naine, kes töötas Harvardi kunstide ja teaduste teaduskonnas bioloogiateadustes. Kas see tundus hea - või nagu koorem?

Mõlemad. Kuulge, see polnud mu elus esimene kord, kui ma olen "esimene". Ainuke mustanahaline naine üleni valges keskkonnas on sisuliselt minu tööelu lugu. Minu valitud töövaldkond on valdavalt valge. Sageli, kui ma midagi professionaalselt teen, olen ma esimene mustanahaline naine, kes on sellega hakkama saanud. See ei ole minu peegeldus. See on peegeldus valdkonnast.

Kas olete Harvardis kogenud eelarvamusi?

Ma ei ole kogenud tohutut tahtlikku blokeerimist ega sihipärast diskrimineerimist. Aga asju juhtub sageli. Ma pöördun millegi pärast ukse taha ja mul kästakse kasutada teenindussissepääsu. "Oh, ma olen siin [Harvardi] korporatsiooni õhtusöögi jaoks," selgitan. "Oh jah, teenindussissepääs on taga."

Või olen ma konverentsi peaesineja. Ma lähen vastuvõttu ja kuulen: "Kas sa ootad kedagi?"

See on nii pidev. Kui öeldakse, et me peaksime reageerima nii, nagu "see on vesi pardi seljast", tähendab see, et maha ei jää jääke. Seal on tohutult kogunenud armkude. Ma ei saa kasutada oma ajuruumi kõigi nende hoidmiseks, sest vajan oma ajuruumi muude asjade tegemiseks.

On hästi teada, et suhteliselt vähe mustanahalisi ameeriklasi õpib STEM-distsipliinides kõrgtasemel kraadi. Neid on 14% elanikkonnast ja siiski vaid 7% teaduse ja tehnika doktorantidest. Miks on selline erinevus selle põhjal, mida olete näinud?

Üks põhjus on see, et eksperimentaal- ja teoreetilised teadused põhinevad enamasti õpipoisiõppe või väravavahi mudelil. Karjäärile pääseb ligi mentori või nõustaja kaudu. Koolitajad valivad koolitatavad, kellega nad samastuvad. Kui väravavalvurid kuuluvad teatud rühma, põlistavad nad selle rühma.

Kas saate oma positsiooni kasutada teaduse karjäärist huvitatud vähemusrühma kuuluvate üliõpilaste toetamiseks?

Annan endast parima, et neile ilmuda. Ma eelistan rääkida vähemusrühma kuuluvate õpilastega, kui nad seda vajavad. Vähemusse kuuluvate õpilaste jaoks on oluline tagada positiivne kohalolek ja valmis kõrv.

See tähendab, et ilmun kõigile oma õpilastele. Enamiku õpilaste jaoks olen ma sageli esimene mustanahaline professor, kes neil kunagi olnud on. Nende jaoks on oluline mind tunda.

Teie elu teisest osast — muusikast. Kas teie muusika üldse toidab teie teadust?

Ma ei ütleks seda – kuigi lauldes saavad mu aju ja keha teadusest pausi.

Ja vastupidi. Mõlemad tegevused on väga nõudlikud ja erineval viisil kaasahaaravad. Tegevuste muutmine annab osale minust võimaluse puhata, tankida ja alateadvuses asjade üle mõtiskleda, kui tegelen millegi muuga. Alateadlikud asjad võivad tagasi tulla, kui ma tagasi tulen.

Võib-olla mõningane kattumine on tegelikkuses, et mõlemad on loomingulised probleeme lahendavad ettevõtted. Kunstis on sul, mida suhelda. Sina valid meediumi. Püüad oma väljendust täiustada ja lähed välja ja teed seda. Teaduses kogute kokku oma ressursid, vastate küsimusele ja edastate selle maailmale. Sel moel on nad mõnevõrra sarnased.

Esinesite detsembris New Yorgis Lincolni keskuses Handeli oma esitleva ansambli koosseisus Messias. Kuidas selliseks esinemiseks valmistute?

Kui aus olla, kujutan ma ette edu. Sel ajal, kui me lava taga oma sissepääsu ootame, näen oma mõtetes etenduse lõppu ja aplausi. Ma kujutan ette, kuidas seisame aplausi ja näen esireas inimesi rõõmustava näoga. Ma kujutan end ettekande ajal ette: tunnen end vabalt, tunnen end muusikast tulvil, tunnen, et mu keha on muusika edastamise anum.

Kas olete kunagi kahetsenud, et kui teil oli võimalus, ei kolinud te Šveitsi ega tegelenud täiskohaga muusikaga?

Ei. Teadus oli valik, mis on viinud mind hämmastava ja põneva karjäärini: ma saan veeta suurema osa oma ajast püüdes mõista mitmerakulise elu ja sugurakkude päritolu ning tegelikult on see minu tasustatud töö! Ma tahan seda jätkuvalt valida. See on super huvitav ja lõbus.