Egy sokrétű tudós keresi a többsejtűség eredetét | Quanta Magazin

In Cassandra Extavoura Harvard Egyetem irodájában festett szivárványzászlóval és barátságos meghívóval ellátott plakát lóg ki.

„Szeretettel fogadunk itt” – áll.

„Azért tettem fel, mert fontosnak tartom, hogy az emberek lássák az ön személyazonosságát, különösen akkor, ha az identitásuk nincs megfelelően képviselve” – magyarázta Extavour, egy evolúciós genetikus, aki 2014-ben az első fekete nő lett, aki elnyerte a biológia tudományok hivatalát a Harvardon. Bölcsészettudományi Kar.

Maga Extavour több identitással rendelkezik, mind szakmailag, mind személyesen, ami elég ahhoz, hogy igazi reneszánsz nőnek minősüljön. A Howard Hughes Medical Institute kutatója, de klasszikusan képzett szoprán is, aki a Boston Landmarks Orchestra és a Handel and Haydn Society együttesében lép fel.

Az Extavour a tanításon és az éneklésen túl a földi élet legkorábbi életének biokémiáját és genetikáját kutatja. Azt akarja tudni, hogyan fejlődtek ki az első sejtek, és hogyan fejlődtek végül többsejtű organizmusokká. Milyen sejtmechanizmusok lehetővé tette az összetett életet? kérdezi. Pontosabban, milyen különleges befolyásuk lehetett a többsejtű élet kialakulására a csírasejteknek – amelyek petesejteket vagy spermiumokat termelnek, és genetikai információkat adnak át a szülőktől az utódoknak?

A kísérletezést és a fejlett matematikát ötvöző laboratóriumi munkája széles körben elnyerte az evolúciós biológusok figyelmét.

2000-ban doktori disszertációAz Extavour kimutatta, hogy a csírasejtek versengenek azért, hogy eljussanak információik a következő generációhoz. Ban ben laborja a Harvardon, kimutatta, hogy a baktériumok szerepet játszottak azon gének létrehozásában, amelyek fontosak voltak a csírasejtvonalak létrehozásában a nagyobb, összetettebb életben. Legutóbb, amikor a rovarok tojásait tanulmányozták, Extavour és csapata megdöntött egy széles körben elterjedt feltételezést arról, hogy mi okozza a sejtalakzatok nagy változatosságát.

„Nagyon kíváncsi vagyok a többsejtű földi élet eredetére” – magyarázta Extavour a Cambridge-i irodájából adott közelmúltbeli Zoom-interjúban. „Tudom, hogy soha nem fogom látni. De sokat gondolok rá.”

Quanta három külön interjúban beszélt vele késő ősszel. Az interjúkat az egyértelműség kedvéért sűrítettük és szerkesztettük.

Mivel kutatása a kezdetekre összpontosít, kezdjük a tiéddel. Hol nőttél fel?

Torontóban, az akkori munkásnegyedben, amelyet Mellékletnek hívtak. Szinte teljes egészében a világ minden tájáról érkezett bevándorló családok lakták.

Te is azon gyerekek közé tartoztál, akik mindig is tudták, hogy felnőve tudóssá akarnak válni?

Nem. Azt képzeltem, hogy zenész leszek. Vagy talán egy táncos. 4 éves koromtól acéldobon játszottam. Nagyon fiatalon tudtam kottát olvasni. Általános iskolában kezdtem el fúvós hangszerekkel foglalkozni. Később a hangot tanultam.

Gyerekkoromban nagyon sok zene volt. Apám, egy trinidadi bevándorló, technikusként támogatta a családot a CBC-nél, a Canadian Broadcasting Company-nál. De profi zenész is volt. Rendszeresen tartott koncerteket. felléptem vele.

A családon belül az volt az érzés, hogy a testvéreimmel bármit megtehetünk, amire csak gondolunk – legyen az új hangszer elsajátítása vagy felvétel a város legjobb középiskolájába. Ha érdeklődést mutattam valami iránt, a válasz ez volt: „Menj el a könyvtárba, tanulj meg mindent róla, és készíts tervet.”

A családod csodálatosan hangzik.

A család története az volt, hogy szerény származású emberek voltunk, de tehetségesek, erőteljesek és hihetetlenül kreatívak.

Határozottan azzal a gondolattal neveltek minket, hogy mások vagyunk, különlegesek vagyunk, de lehet, hogy ezt mások nem ismerik fel. A szüleink megtanították nekünk: „A világ nem fog mindig olyannak értékelni, amilyen vagy. Ez ne akadályozza meg abban, hogy a lehető legjobb életet élje.”

Kihívás volt egy fajok közötti családban felnőni az 1970-es évek Kanadájában?

Már kiskorom óta megértettem, hogy sok embernek nem tetszik, hogy apám fekete, anyám fehér. Anyám családját nem izgatta, hogy egy fekete férfihoz ment feleségül, és négy fekete gyermeke született. Időbe telt, mire elfogadták.

Utólag rájöttem, hogy a családunk külsősége sok hasznos eszközt adott számomra. Például már kiskorom óta tudtam, hogy a külvilág ellenséges lehet velem, ezért nem számíthattam rá a pontos visszajelzésekre. Sok korai gyakorlatot szereztem annak eldöntésében, hogy valami jó vagy rossz – vagy érdekes. Ez óriási előny, amikor kísérleteket tervez.

Tekintettel a korai fellépés iránti érdeklődésére, hogyan jött az életébe a genetika iránti érdeklődés?

Teljesen véletlenül. Főiskola első évében a Torontói Egyetemen olyan helyzetbe kerültem, hogy gyorsan szakot kellett választanom. Én akkor kórusban énekeltem, és megkérdeztem a mellettem ülő szomszédot, hogy mi az övé. – Genetika – mondta. Ez teljesen véletlenszerű döntés volt.

De egy szerencsés?

Igen. Mert a genetika szakosoknak biokémiát kellett venniük. Korábban jártam biológiaórákra, de úgy találtam, hogy ezek – legalábbis úgy, ahogyan tanítják – a megjegyzendő dolgok szétválasztott listája.

A biokémia viszont izgalmas logikai rejtvény volt. Voltak ezek a különböző részek – fehérjék, mitokondriumok, gének –, és ezek mind együtt dolgoztak, hogy olyan sejtet alkossanak, amely képes tenni valamit. A játék az volt, hogy kitaláljuk, hogyan működnek együtt a darabok. Ezt teljesen lebilincselőnek találtam.

Nos, nem akadémiai környezetben nőttem fel. Nem tudtam semmit a kutatói pályáról, vagy arról, hogy a mai állásom egyáltalán létezik.

De megkérdeztem az iskolában, és az egyik idősebb diák azt mondta nekem: „Ha komoly genetikával akarsz foglalkozni, akkor posztgraduális iskolába kell menned, és doktori fokozatot kell szerezned.”

Ön úgy döntött, hogy Európában folytatja posztgraduális tanulmányait. Miért ott?

Azért választottam a Madridi Autonóm Egyetemet, mert folyékonyan akartam spanyolul tanulni, és mert ott akartam tanulni. Antonio García-Bellido, a 20. század egyik kiemelkedő fejlődési genetikusa. Amikor elolvastam a dolgozatait, úgy tűnt, úgy gondolkodott a fejlődésről, ahogyan azt senki más nem.

A későbbiekben ezen a döntésen gondolkodva, utólag visszagondolva, más okból is bölcs választásnak tűnt. Ha az Egyesült Államokban végeztem volna a diplomamunkámat, amire biztattak, az még nehezebbé tette volna a posztgraduális képzést, mint amilyen volt. Az Egyesült Államokban érzi a faji megosztottság folyamatos rohamát.

Az Ön által García-Bellido alatt készített doktori disszertáció a gyümölcslégy csíravonalának szelekciójáról, nagy hatással volt a fejlődési genetikára. Miért volt ez akkora kasszasiker?

Mert közvetlen kísérleti bizonyítékot szolgáltattam valamire, amit régóta feltételeztek, de korábban nem mutattak be. Nevezetesen, hogy ahogy az egész állatok is alávethetők a természetes szelekciónak, ahol az illeszkedés jobban túlél, mint a kevésbé fitt, úgy a fejlődő állaton belül az egyes csírasejtek is megtehetik ugyanezt.

A csírasejtek azért lenyűgözőek, mert a többsejtű szervezetek különleges újdonságai. Szinte minden nagyobb sikeres többsejtű életforma csírasejtekkel szaporodik. Így adódnak át a gének egyik generációról a másikra. Ezek teszik lehetővé a sejtek számára, hogy összetapadjanak, vagy olyan nagy többsejtű konglomerátumot alkossanak, mint egy banán vagy egy ember.

Tehát bebizonyítottad, hogy a gyümölcslegyekben lévő csírasejtek versengenek egymással. De milyen módon? Milyen jellegű volt a versenyük?

A szövetekben spontán módon létrejövő mutációk miatt egy szervezet különböző csírasejtjeinek génjei kissé eltérőek lehetnek. Ezek a mutációk befolyásolhatják a csírasejtek növekedését és sikeres petesejtek vagy spermiumok termelését, ami versenybe állítja őket a természetes szelekcióval szemben. De kiderült, hogy ugyanezen gének közül sok a test többi részének fejlődési folyamatait is befolyásolja. Tehát ez a csírasejtek közötti szelekciós folyamat jelentős hatással lehet a megtermelt utódok egészségére és fittségére egész életük során.

A disszertációjának erős hatásai voltak az evolúcióbiológiára, nem?

Tette. Nagyon fontos megérteni, hogyan fejlesztünk ki egy genetikai programot a reproduktív sejtek e kis részhalmazának elkészítéséhez.

Későbbi pályafutásom nagy részét az vezérelte, hogy meg akartam érteni, hogyan hoz létre egyetlen sejt, a megtermékenyített petesejt, több millió sejtből álló összetett, többsejtű felnőttet. Megpróbálom kideríteni, hogyan keletkeztek először az élőlények különböző sejttípusai.

Az általam feltett kérdések között szerepel: Honnan tudják, mit kell tenni? Milyen géneket használnak ehhez? És mivel az első élet a Földön egysejtű volt, hogyan alakultak ki egyáltalán a többsejtű gének és sejttípusok?

Mi lett a zenei érdeklődéseddel, miközben megpróbáltad megérteni az ivarsejteket?

Végig megtaláltam a módját a tudománynak és a zenének egyaránt. Miközben Madridban dolgoztam, és később, amikor posztdoktori voltam a Cambridge-ben, az Egyesült Királyságban, még mindig hangot tanultam. Sőt, hétvégén részt vettem meghallgatásokon és felléptem előadásokon.

Amíg a doktorátusomon dolgoztam és a posztdoktoriom alatt, a hangtanárom Svájcban volt. Más tanítványai is voltak Madridban, és körülbelül hathetente jött Spanyolországba, hogy velünk dolgozzon. Néha Bázelbe repültem órákra. Felvettem az óráit, és utána tanulmányoztam.

Természetesen voltak pillanatok, amikor ez a két érdek ellentétes volt. Miután befejeztem a doktori fokozatot, hangtanárom arra ösztönzött, hogy teljes időmet az éneklésre szenteljem. – Most 26 éves vagy – mondta. „Itt az ideje, hogy komolyan foglalkozz a hangoddal. Most vagy soha."

Megfontoltam az érvelését. De nagyon érdekelt a biológia. A nap végén meg kellett találnom a módot mindkettőre.

Szerencsére végzős hallgatóként és posztdoktorként is nagyon magas rangú vezető nyomozóim voltak, akik sok függetlenséget biztosítottak számomra. Amíg az elvárt magas színvonalon végeztem a munkát, addig elkészíthettem a saját beosztásomat.

Ez azt jelentheti, hogy néhány extra éjszakát a laborban töltök, hogy formába hozzam a gyümölcslegyeket, mert nem tudnám őket ápolni, miközben turnézom egy show-val. Vagy cipelni magammal a legyeket a táskámban, hogy ne kelljen abbahagynom egy kísérletet.

A posztdokit a zoológussal csináltad Michael Akam Cambridge-ben. Egy olyan korszakban, amikor a biokémia dominál, az egész állatok tanulmányozása néha egy másik évszázadba való visszalépésnek tűnhet. Miért választottad?

Mert a szakdolgozatom megállapításait szerettem volna a következő lépéshez vinni. A dolgozat azt vizsgálta, hogyan viselkednek a csírasejtek egy állatban. Cambridge-ben megkérdeztem, hogyan viselkednek a csírasejtek minden állatban, és hogyan fejlődtek. Ennek érdekében tengeri sünököt, rákféléket és tengeri kökörcsineket tanulmányoztam a laborban. Aztán elolvastam a történelmi irodalmat, szinte mindent, ami több száz különböző faj csírasejtjéről szól.

Pályafutásom során igyekeztem korábbi megállapításokra építeni, és ez néha azt jelenti, hogy kilépek az eredeti tudományágból, vagy kiterjesztem annak meghatározásait. Jelenleg a laboromban a fejlődés evolúcióját próbáljuk megérteni a géneknél többet figyelembe véve.

Tanulmányainkba beépítjük az ökológiát és a környezetvédelmet. Ahelyett, hogy elszigetelten tanulmányoznánk a gyümölcslegyeket, a legyek belsejében élő mikrobákat és azokat a növényeket vizsgáljuk, amelyekkel a legyek táplálkoznak. Ezzel a munkával azt reméljük, hogy megértjük, hogyan fejlődhetnek a fejlesztési folyamatok valós környezetben.

Mit mondana, melyek a legfontosabb eredmények a harvardi laborjából?

Először is, annak bemutatása, hogy a sejt-sejt jelátvitel nem szokatlan mód az állatok számára embrionális csírasejteket generálnak - azaz olyan sejtek, amelyek petesejtté és spermiumokká válnak. A 20. század nagy részében a tankönyveket az az elképzelés uralta, hogy a rovaroknál és a legtöbb más állatnál a tojásban található „csíraplazma” a csírasejtek különálló vonalát hozta létre a fejlődés korai szakaszában. De kimutattuk, hogy a tücskökben a testsejteket a környező szövetekből érkező jelek hatására csírasejtté változtatják. Ez történik egereknél és más emlősöknél is, de úgy gondolták, hogy ez egy újszerű mechanizmus, amely ritkán jelent meg az evolúció során.

Másodszor, 2020-ban felfedezték, hogy a rég nem látott rokonok Oskar, egy gén, amely nagyon híres a rovarszaporodásban játszott alapvető szerepéről, valójában voltak baktériumoktól, nem csak a korábbi állatoktól. Ez a gén bakteriális genomszekvenciák és állati genomszekvenciák fúziójával fejlődött ki. Azt sugallja, hogy az előfutárok a Oskar nagyon különböző funkciói voltak, valószínűleg az idegrendszer fejlődésében, és az új céljának kialakulásának további tanulmányozása rendkívül informatív lehet.

Harmadszor, évszázados „törvények” meghamisítása, amelyek megjósolták a biológiai struktúrák alakját. A rovartojások rendkívül változatosak, nyolc nagyságrenddel és vadul eltérő formájúak. Korábbi feltételezések szerint valamiféle univerzális „törvény”, amely minden állatra vonatkozik, megmagyarázhatja a sejtek alakjának és méretének, valamint a sejtekből álló szerkezetek fejlődését. A tojások esetében számos korábbi hipotézis volt arról, hogy mik ezek a törvényszerűségek, például, hogy a tojások méretei tükrözik az egyes fajok fejlődési ütemének vagy kifejlett testméretének követelményeit.

De összeállítottunk egy páratlan adathalmazt több mint 10,000 XNUMX rovartojás mérésből, és megállapítottuk, hogy ami igazán megjósolta a tojás méretét és alakját, az az, hogy hol fogják lerakni. Földre vagy levél alatt tojott tojáses alapvetően ellipszis alakúak. A vízbe rakott tojások általában kisebbek és gömbölyűbbek. A más rovarok belsejében lerakott parazitoid tojások is kicsik, de aszimmetrikusak.

Hogyan került oda a munkája Cambridge-ből a Harvardra?

2003-ban a Harvard meghívott egy szemináriumra. Utána az emberek azt mondták: „Tudja, hogy van egy tanársegéd az evolúciós fejlődésbiológiában? Jelentkezni kellene."

Tökéletesen boldog voltam Cambridge-ben. Éppen most kaptam négy év finanszírozást kutatásra. Őszintén szólva, nem hittem, hogy megkapom az állást, mert elég világos elképzelésem volt arról, hogy mit keres a Harvard, és nem úgy nézett ki, mint én. Meglepődtem, amikor ajánlatot kaptam.

Néhány éven belül elnyerte a mandátumot. Valójában te lettél az első fekete nő, aki biológiai tudományokkal foglalkozott a Harvard Bölcsészettudományi és Tudományos Karán. Jó érzés volt ez – vagy teher volt?

Mindkét. Figyelj, nem ez volt az első alkalom az életemben, hogy „első voltam”. Az, hogy én vagyok az egyetlen fekete nő egy teljesen fehér környezetben, lényegében szakmai életem története. A választott munkaterületem túlnyomórészt fehér. Gyakran, amikor bármit professzionálisan csinálok, én vagyok az első fekete nő, aki ezt csinálta. Ez nem reflexió rólam. Ez egy tükröződés a pályán.

Tapasztalt-e elfogultságot a Harvardon?

Nem tapasztaltam hatalmas mennyiségű szándékos blokkolást vagy célzott diszkriminációt. De gyakran történnek dolgok. Valamiért felbukkanok az ajtóban, és azt mondják, hogy használjam a szervizbejáratot. – Ó, a [Harvard] Corporation vacsorájára jöttem – magyarázom. – Ó, igen, a szervizbejárat hátul van.

Vagy én vagyok a főelőadó egy konferencián. Odamegyek a recepcióhoz, és azt hallom: „Vársz valakit?”

Olyan állandó. Ha azt mondjuk, hogy úgy kell reagálnunk, mintha „víz lenne a kacsa hátáról”, az azt jelenti, hogy nem marad maradék. Hatalmas hegszövet halmozódik fel. Nem tudom felhasználni az agyterületemet, hogy mindegyiket megtartsam, mert szükségem van az agyterületemre más dolgok elvégzéséhez.

Köztudott, hogy viszonylag kevés fekete amerikai tanul felsőfokú fokozatot a STEM tudományágakban. Ők a lakosság 14%-a, de a természettudományos és műszaki doktoranduszoknak csak 7%-a. A látottak alapján miért van ekkora eltérés?

Ennek egyik oka az, hogy a kísérleti és elméleti tudományok többnyire a tanulószerződéses gyakorlati képzés vagy a kapuőr modellre épülnek. Az ember egy mentoron vagy egy tanácsadón keresztül jut karrierhez. Az oktatók kiválasztják azokat a tanulókat, akikkel azonosulnak. Ha a kapuőrök egy bizonyos csoporthoz tartoznak, akkor azt a csoportot állandósítják.

Fel tudja-e használni pozícióját a tudományos pályák iránt érdeklődő, kisebbségben élő diákok támogatására?

Mindent megteszek, hogy megjelenjek nekik. Előnyben részesítem a kisebbségi tanulókkal való beszélgetést, amikor szükségük van rá. A kisebbségi hallgatók számára fontos a pozitív jelenlét és a készséges fül biztosítása.

Ez azt jelenti, hogy minden tanítványomnak megjelenek. A legtöbb diák számára gyakran én vagyok az első fekete professzor, akivel valaha is foglalkoztak. Fontos, hogy ismerjenek engem.

Életed másik részéről – a zenéről. A zenéd táplálja egyáltalán a tudományodat?

Nem mondanám ezt – bár amikor énekelek, az agyam és a testem megszakad a tudománytól.

És fordítva. Mindkét elfoglaltság rendkívül megerőltető és különböző módon leköti. A tevékenységek megváltoztatása lehetőséget ad egy részemnek, hogy pihenjen, tankoljak, és a tudatalatti dolgain töprengek, miközben valami mással foglalkozom. A tudatalatti dolgok visszatérhetnek a felszínre, amikor visszatérek.

Ahol talán van némi átfedés, az a valóságban van, hogy mindkettő kreatív problémamegoldó vállalkozás. A művészetben van mit közölni. Ön választja ki a médiumot. Megpróbálod tökéletesíteni ezt a kifejezést, és kimész, és megcsinálod. A tudományban összegyűjtöd az erőforrásaidat, megválaszolsz egy kérdést, és közlöd a világgal. Ilyen módon valamennyire hasonlóak.

Decemberben a New York-i Lincoln Centerben léptél fel egy Handel's-t bemutató együttes tagjaként Messiás. Hogyan készülsz fel egy ilyen előadásra?

Hogy őszinte legyek, elképzelem a sikert. Amíg a színfalak mögött a belépésünkre várunk, a fejemben látom a show végét és a tapsot. Elképzelem, ahogy állva tapsolnak, és látom az embereket az első sorban, és örömteli arccal az arcukon. Elképzelem magam az előadás alatt: szabadnak érzem magam, úgy érzem, hogy eltölt a zene, érzem, hogy a testem egy edény a zene kommunikációjához.

Megbántad valaha, hogy amikor lehetőséged volt rá, nem költöztél Svájcba, és nem foglalkoztál teljes munkaidőben zenével?

Nem. A tudomány egy olyan választás volt, amely csodálatos és izgalmas karrierhez vezetett: időm nagy részét azzal töltöm, hogy megértsem a többsejtű élet és a csírasejtek eredetét, és ez tulajdonképpen az én fizetett munkám! Továbbra is ezt szeretném választani. Nagyon érdekes és szórakoztató.