Uno scienziato dai molteplici talenti cerca le origini della multicellularità | Rivista Quanti

In Cassandra ExtavourNell'ufficio di Harvard all'Università di Harvard è appeso un cartello con una bandiera arcobaleno dipinta e un invito amichevole.

"Sei il benvenuto qui", si legge.

"Lo penso perché penso che sia importante lasciare che le persone vedano la propria identità, soprattutto quando tali identità non sono ben rappresentate", ha spiegato Extavour, una genetista evoluzionista che nel 2014 è diventata la prima donna nera a ottenere una cattedra di scienze biologiche alla Harvard University. Facoltà di Lettere e Scienze.

La stessa Extavour ha molteplici identità, sia professionali che personali, sufficienti per qualificarsi come una vera donna del Rinascimento. È una ricercatrice dell'Howard Hughes Medical Institute, ma anche un soprano di formazione classica che si esibisce con la Boston Landmarks Orchestra e la Handel and Haydn Society.

Oltre all'insegnamento e al canto, Extavour ricerca la biochimica e la genetica della prima vita sulla terra. Vuole sapere come si svilupparono le prime cellule e alla fine si evolsero in organismi multicellulari. Quali meccanismi cellulari reso possibile la vita complessa? lei chiede. Più specificamente, quale influenza speciale potrebbero avere le cellule germinali – che producono ovuli o spermatozoi, trasmettendo informazioni genetiche dai genitori alla prole – nello sviluppo della vita multicellulare?

Il suo lavoro di laboratorio, che combina sperimentazione e matematica avanzata, ha conquistato la sua ampia attenzione tra i biologi evoluzionisti.

Nel suo 2000 tesi di dottorato, Extavour ha dimostrato che le cellule germinali competono per avere la possibilità di portare le loro informazioni alla generazione successiva. In il suo laboratorio ad Harvard, ha dimostrato che i batteri hanno avuto un ruolo nella creazione dei geni importanti per stabilire linee di cellule germinali in una vita più ampia e complessa. Più recentemente, mentre studiavano le uova degli insetti, Extavour e il suo team hanno ribaltato un’ipotesi ampiamente diffusa su ciò che determina la grande diversità nelle forme cellulari.

"Sono molto curioso riguardo alle origini della vita multicellulare sulla Terra", ha spiegato Extavour in una recente intervista su Zoom dal suo ufficio a Cambridge. «So che non lo vedrò mai. Ma ci penso molto”.

Quanta ha parlato con lei in tre interviste separate nel tardo autunno. Le interviste sono state condensate e modificate per chiarezza.

Dato che la tua ricerca è focalizzata sugli inizi, cominciamo dal tuo. Dove sei cresciuto?

Toronto, in quello che allora era un quartiere operaio chiamato Annex. Era occupato quasi interamente da famiglie di immigrati provenienti da tutto il mondo.

Eri uno di quei bambini che hanno sempre saputo di voler crescere per diventare uno scienziato?

No. Immaginavo che avrei fatto il musicista. O forse una ballerina. Suonavo i tamburi d'acciaio da quando avevo 4 anni. Sapevo leggere la musica da molto giovane. Ho iniziato a suonare gli strumenti a fiato alle elementari. Più tardi ho studiato canto.

C'era molta musica nella mia infanzia. Mio padre, immigrato da Trinidad, manteneva la famiglia come tecnico presso la CBC, la Canadian Broadcasting Company. Ma era anche un musicista professionista. Teneva regolarmente concerti. Mi sono esibito con lui.

All'interno della famiglia c'era la sensazione che io e i miei fratelli potessimo fare qualsiasi cosa ci mettessimo in testa, che fosse padroneggiare un nuovo strumento o ottenere l'ammissione alla migliore scuola superiore della città. Se esprimevo interesse per qualcosa, la risposta era: “Vai in biblioteca, impara tutto al riguardo e fai un piano”.

La tua famiglia sembra straordinaria.

La storia della famiglia era che eravamo persone di umili origini, ma talentuose, energiche e incredibilmente creative.

Siamo sicuramente cresciuti con l’idea che eravamo diversi, speciali, ma gli altri potrebbero non riconoscerlo. I nostri genitori ci hanno insegnato: “Il mondo non ti apprezzerà sempre per quello che sei. Non lasciare che questo ti impedisca di vivere la vita migliore che puoi”.

È stato difficile crescere in una famiglia interrazziale nel Canada degli anni '1970?

Fin da piccolo ho capito che a molte persone non piaceva il fatto che mio padre fosse nero e mia madre fosse bianca. La famiglia di mia madre non era entusiasta del fatto che avesse sposato un uomo nero e avesse avuto quattro figli neri. Ci è voluto del tempo per accettarlo.

In retrospettiva, mi sono reso conto che l'estraneità della nostra famiglia mi ha dato molti strumenti utili. Ad esempio, sapevo fin da piccolo che il mondo esterno poteva essermi ostile e quindi non potevo contare su di esso per un feedback accurato. Ho fatto molta pratica iniziale nel decidere da solo se qualcosa era buono o cattivo o interessante. Si tratta di una risorsa straordinaria quando si progettano esperimenti.

Dato il tuo precoce interesse per la performance, come è entrato nella tua vita l’interesse per la genetica?

Completamente per caso. Durante il mio primo anno di college, presso l'Università di Toronto, mi sono trovato in una situazione in cui dovevo scegliere rapidamente una specializzazione. Stavo cantando in coro in quel momento e ho chiesto alla vicina seduta accanto a me quale fosse la sua. "Genetica", ha detto. È stata una decisione del tutto casuale.

Ma fortunato?

SÌ. Perché gli specialisti in genetica dovevano frequentare biochimica. In precedenza avevo seguito lezioni di biologia, ma le ho trovate, almeno per il modo in cui venivano insegnate, come un elenco sconnesso di cose da memorizzare.

La biochimica, d’altro canto, era un entusiasmante puzzle logico. C'erano tutte queste diverse parti - proteine, mitocondri, geni - e lavoravano tutte insieme per creare una cellula in grado di fare cose. Il gioco consisteva nel capire come i pezzi funzionavano insieme. L'ho trovato assolutamente coinvolgente.

Ora, non ero cresciuto in un ambiente accademico. Non sapevo nulla delle carriere di ricercatore, né che il lavoro che svolgo oggi esistesse.

Ma ho chiesto in giro a scuola e uno degli studenti più grandi mi ha detto: "Se vuoi dedicarti seriamente alla genetica, dovrai andare alla scuola di specializzazione e ottenere un dottorato".

Hai scelto di svolgere i tuoi studi universitari in Europa. Perché là?

Ho scelto l'Università Autonoma di Madrid perché volevo diventare fluente in spagnolo e perché volevo studiare con lui Antonio Garcia-Bellido, uno dei più importanti genetisti dello sviluppo del 20° secolo. Quando ho letto i suoi articoli, sembrava che pensasse allo sviluppo come nessun altro faceva.

Ripensando in seguito a quella decisione, col senno di poi mi è sembrata una scelta saggia per un altro motivo. Se avessi svolto il mio lavoro di laurea negli Stati Uniti, cosa che sono stato incoraggiato a fare, ciò avrebbe reso la scuola di specializzazione più difficile di quanto non fosse già. Negli Stati Uniti si avverte il costante assalto della divisione razziale.

La tesi di dottorato che hai prodotto con García-Bellido, sulla selezione nella linea germinale della mosca della frutta, ha avuto un enorme impatto sulla genetica dello sviluppo. Perché è stato un tale successo?

Perché ho fornito prove sperimentali dirette di qualcosa che era stato a lungo ipotizzato, ma non dimostrato in precedenza. Vale a dire, proprio come gli animali interi possono essere soggetti alla selezione naturale, dove l'adatto sopravvive meglio di quello meno adatto, le singole cellule germinali all'interno di un animale in via di sviluppo possono fare la stessa cosa.

Le cellule germinali sono affascinanti perché rappresentano una novità speciale degli organismi multicellulari. Quasi tutte le principali forme di vita multicellulare di successo si riproducono con cellule germinali. Sono il modo in cui i geni vengono tramandati da una generazione all'altra. Sono ciò che fornisce la capacità alle cellule di restare unite o di formare un grande conglomerato multicellulare come una banana o una persona.

Quindi hai dimostrato che le cellule germinali dei moscerini della frutta erano in competizione. Ma in che modo? Qual era la natura della loro competizione?

A causa delle mutazioni che insorgono spontaneamente nei tessuti, le diverse cellule germinali di un organismo possono avere geni leggermente diversi. Tali mutazioni possono influenzare la capacità delle cellule germinali di crescere e produrre ovuli o spermatozoi di successo, il che le mette in competizione rispetto alla selezione naturale. Ma si scopre che molti di quegli stessi geni influenzano anche i processi di sviluppo in tutto il resto del corpo. Quindi questo processo di selezione tra le cellule germinali può avere effetti importanti sulla salute e la forma fisica della prole generata per tutta la vita.

La tua tesi ha avuto forti implicazioni per la biologia evoluzionistica, non è vero?

Lo ha fatto. Capire come si evolve un programma genetico per creare quel minuscolo sottoinsieme di cellule riproduttive è davvero importante.

Gran parte della mia carriera successiva è stata guidata dal desiderio di capire come una singola cellula, l’ovulo fecondato, crei un complesso adulto multicellulare fatto di milioni di cellule. Sto cercando di capire come si sono formati i diversi tipi di cellule negli organismi.

Tra le domande che mi pongo c'è: come fanno a sapere cosa fare? Quali geni usano per fare questo? E poiché la prima vita sulla Terra era unicellulare, come si sono evoluti i geni multicellulari e i tipi di cellule?

Che ne è stato dei tuoi interessi musicali mentre cercavi di comprendere le cellule germinali?

Lungo il percorso, ho trovato il modo di dedicarmi sia alla scienza che alla musica. Mentre lavoravo a Madrid e successivamente quando facevo un postdoc a Cambridge nel Regno Unito, studiavo ancora canto. Inoltre, ho partecipato alle audizioni e mi sono esibito in spettacoli nei fine settimana.

Mentre lavoravo al dottorato e durante il postdoc, il mio insegnante di canto era in Svizzera. Aveva altri studenti a Madrid e veniva in Spagna circa ogni sei settimane per lavorare con noi. A volte volavo a Basilea per prendere lezioni. Registravo le sue lezioni e le studiavo dopo.

Naturalmente, ci sono stati momenti in cui questi due interessi erano in conflitto. Dopo aver terminato il dottorato, il mio insegnante di canto mi ha spinto a dedicarmi a tempo pieno al canto. "Adesso hai 26 anni", ha detto. “È ora di prendere sul serio la tua voce. È ora o mai più."

Ho considerato la sua argomentazione. Ma avevo questo grande interesse per la biologia. Alla fine, dovevo trovare un modo per fare entrambe le cose.

Fortunatamente, sia come studente laureato che come postdoc, ho avuto investigatori principali molto esperti che mi hanno dato molta indipendenza. Finché svolgevo il lavoro al livello elevato previsto, potevo stabilire il mio programma.

Ciò potrebbe significare passare qualche notte in più in laboratorio per mettere in forma i moscerini della frutta perché non sarei in grado di prendermene cura mentre sono in tournée con uno spettacolo. O portare le mosche con me nella borsa per non dover interrompere un esperimento.

Hai fatto il dottorato con lo zoologo Michael Akam a Cambridge. In un’epoca in cui predomina la biochimica, lo studio degli animali interi a volte può sembrare un ritorno al passato. Perché l'hai scelto?

Perché volevo portare i risultati della mia tesi al passo successivo. La tesi ha esaminato il comportamento delle cellule germinali in un animale. A Cambridge chiesi come si comportavano le cellule germinali in tutti gli animali e come si evolvevano. Per farlo ho studiato in laboratorio ricci di mare, crostacei e anemoni di mare. Poi ho letto la letteratura storica, praticamente tutto ciò che è pubblicato sulle cellule germinali di centinaia di specie diverse.

Nel corso della mia carriera, ho cercato di basarmi sulle scoperte precedenti, e questo a volte significa uscire dalla disciplina originale o ampliarne le definizioni. Proprio adesso, nel mio laboratorio, stiamo cercando di comprendere l'evoluzione dello sviluppo considerando qualcosa di più che i geni.

Stiamo incorporando l'ecologia e l'ambiente nei nostri studi. Invece di studiare i moscerini della frutta isolatamente, stiamo osservando i microbi che vivono all’interno dei moscerini e le piante di cui i moscerini si nutrono. Con questo lavoro speriamo di capire come i processi di sviluppo possono evolversi in ambienti di vita reale.

Quali diresti che siano i risultati più importanti che arriveranno dal tuo laboratorio di Harvard?

In primo luogo, dimostrare che la segnalazione cellula-cellula non è un modo insolito per gli animali generare cellule germinali embrionali – cioè cellule che diventeranno ovuli e spermatozoi. L’idea che ha dominato i libri di testo per gran parte del XX secolo era che negli insetti e nella maggior parte degli altri animali, un “plasma germinale” nell’uovo stabiliva una linea distinta di cellule germinali molto presto nello sviluppo. Ma abbiamo dimostrato che nei grilli le cellule del corpo sono indotte a trasformarsi in cellule germinali da segnali provenienti dai tessuti circostanti. Questo è ciò che accade anche nei topi e in altri mammiferi, ma si pensava che si trattasse di un nuovo meccanismo apparso raramente nel corso dell'evoluzione.

In secondo luogo, scoprire nel 2020 che i parenti scomparsi da tempo di Oskar, un gene molto famoso per il suo ruolo essenziale nella riproduzione degli insetti, erano in realtà da batteri, non solo da animali precedenti. Questo gene si è evoluto dalla fusione di sequenze di genoma batterico con sequenze di genoma animale. Suggerisce che i precursori di Oskar aveva funzioni molto diverse, forse nello sviluppo del sistema nervoso, e che ulteriori studi su come si è evoluto fino al suo nuovo scopo potrebbero essere altamente istruttivi.

In terzo luogo, falsificare “leggi” secolari che prevedevano le forme delle strutture biologiche. Le uova degli insetti variano enormemente, di otto ordini di grandezza in termini di dimensioni e con forme molto diverse. Precedenti presupposti erano che una “legge” universale di qualche tipo, applicabile a tutti gli animali, potesse spiegare l’evoluzione delle forme e delle dimensioni delle cellule e delle strutture costituite da cellule. Nel caso delle uova, c’erano molte ipotesi precedenti su quali fossero queste leggi, incluso, ad esempio, che le dimensioni delle uova riflettessero i requisiti del tasso di sviluppo o della dimensione corporea dell’adulto per ciascuna specie.

Ma abbiamo costruito un insieme di dati senza precedenti di oltre 10,000 misurazioni di uova di insetti e lo abbiamo scoperto ciò che realmente meglio prevedeva la dimensione e la forma di un uovo era il luogo in cui sarebbe stato deposto. Uova deposte a terra o sotto fogliasono fondamentalmente ellittici. Le uova deposte nell'acqua tendono ad essere più piccole e più sferiche. Anche le uova parassitoidi deposte all'interno di altri insetti sono piccole ma asimmetriche.

Come sei arrivato a spostare il tuo lavoro da Cambridge ad Harvard?

Nel 2003 Harvard mi invitò a tenere un seminario. In seguito, la gente disse: “Sapete che si sta liberando una cattedra di assistente in biologia evolutiva dello sviluppo? Dovresti fare domanda."

Ero perfettamente felice a Cambridge. Avevo appena ottenuto quattro anni di finanziamenti per la ricerca. Francamente non pensavo che avrei ottenuto il lavoro perché avevo un'idea abbastanza chiara di ciò che Harvard stava cercando e non mi somigliava. Sono stato sorpreso di ricevere un'offerta.

Nel giro di pochi anni, hai vinto la carica. In effetti, sei diventata la prima donna nera ad avere una cattedra di scienze biologiche presso la Facoltà di Arti e Scienze di Harvard. Ti faceva sentire bene o come un peso?

Entrambi. Ascolta, questa non è stata la prima volta nella mia vita che sono stato il "primo". Essere l'unica donna nera in un ambiente tutto bianco è essenzialmente la storia della mia vita professionale. Il campo di lavoro che ho scelto è prevalentemente bianco. Spesso, ogni volta che faccio qualcosa a livello professionale, sono la prima donna nera ad averlo fatto. Questa non è una riflessione su di me. Questa è una riflessione sul campo.

Hai sperimentato qualche pregiudizio ad Harvard?

Non ho subito un’enorme quantità di blocchi deliberati o discriminazioni mirate. Ma le cose spesso accadono. Mi presento alla porta per qualcosa e mi viene detto di usare l'ingresso di servizio. "Oh, sono qui per la cena della [Harvard] Corporation", spiego. "Oh sì, l'ingresso di servizio è sul retro."

Oppure sono il relatore principale di una conferenza. Vado alla reception e sento: "Stai aspettando qualcuno?"

È così costante. Dire che dovremmo reagire come “è acqua dalla schiena di un'anatra” implica che non rimangano residui. C'è un enorme accumulo di tessuto cicatriziale. Non posso usare il mio spazio cerebrale per contenerli tutti perché ho bisogno del mio spazio cerebrale per fare altre cose.

È noto che relativamente pochi neri americani stanno studiando per titoli avanzati nelle discipline STEM. Sono il 14% della popolazione e tuttavia solo il 7% dei dottorandi in scienze e ingegneria. Sulla base di ciò a cui hai assistito, perché esiste una tale disparità?

Uno dei motivi è che le scienze sperimentali e teoriche sono, per la maggior parte, fondate su un modello di apprendistato o di gatekeeper. Si accede alla carriera tramite un mentore o un consulente. I formatori scelgono i tirocinanti con cui si identificano. Se i guardiani appartengono a un certo gruppo, perpetuano quel gruppo.

Sei in grado di utilizzare la tua posizione per sostenere gli studenti appartenenti a minoranze interessati alle carriere scientifiche?

Faccio del mio meglio per presentarmi a loro. Dò la priorità a parlare con gli studenti appartenenti a minoranze quando ne hanno bisogno. Per gli studenti appartenenti a minoranze, è importante fornire una presenza positiva e un ascolto disponibile.

Detto questo, mi presento a tutti i miei studenti. Per la maggioranza degli studenti, spesso sono il primo professore nero che abbiano mai avuto. È importante che mi conoscano.

Riguardo l'altra parte della tua vita: la musica. La tua musica nutre la tua scienza?

Non direi questo, anche se quando canto, il mio cervello e il mio corpo si prendono una pausa dalla scienza.

E viceversa. Entrambe le attività sono estremamente impegnative e avvincenti in modi diversi. Cambiare attività dà a una parte di me la possibilità di riposarsi, ricaricarsi e rimuginare sulle cose nel subconscio mentre sono impegnato con qualcos'altro. Le cose del subconscio possono tornare in superficie quando torno.

Dove c’è, forse, qualche sovrapposizione è nella realtà che sono entrambe imprese creative che risolvono problemi. Nell'arte hai qualcosa da comunicare. Scegli il mezzo. Cerchi di perfezionare la tua espressione e poi esci e lo fai. Nella scienza raccogli le tue risorse, rispondi a una domanda e la comunichi al mondo. In questo senso sono in qualche modo simili.

Ti sei esibito a dicembre al Lincoln Center di New York come parte di un ensemble che presentava Händel Messia. Come ti prepari per una performance del genere?

Ad essere sincero, immagino il successo. Mentre aspettiamo il nostro ingresso nel backstage, rivedo nella mia mente la fine dello spettacolo e gli applausi. Immagino standing ovation e vedere le persone in prima fila con sguardi di gioia sui loro volti. Mi immagino durante la performance: sentirmi libera, sentirmi riempita dalla musica, sentire che il mio corpo è un veicolo per la comunicazione della musica.

Ti sei mai pentito di non esserti trasferito in Svizzera, quando ne hai avuto la possibilità, per dedicarti alla musica a tempo pieno?

No. La scienza è stata una scelta che mi ha portato a una carriera straordinaria ed entusiasmante: passo la maggior parte del mio tempo cercando di comprendere le origini della vita multicellulare e delle cellule germinali, e in realtà è il mio lavoro retribuito farlo! Voglio continuare a scegliere questo. È super interessante e divertente.