Wszechstronnie utalentowany naukowiec szuka początków wielokomórkowości | Magazyn Quanta

In Cassandra Extavourw biurze Uniwersytetu Harvarda wisi plakat z namalowaną tęczową flagą i przyjaznym zaproszeniem.

„Jesteście tu mile widziani” – czytamy.

„Podejmuję tę decyzję, ponieważ uważam, że ważne jest, aby ludzie mogli zobaczyć swoją tożsamość, zwłaszcza jeśli nie jest ona dobrze reprezentowana” – wyjaśniła Extavour, genetyk ewolucyjny, która w 2014 r. została pierwszą czarną kobietą, która zdobyła stanowisko w dziedzinie nauk biologicznych na Uniwersytecie Harvarda. Wydział Sztuki i Nauki.

Sama Extavour ma wiele tożsamości, zarówno zawodowych, jak i osobistych, wystarczających, aby kwalifikować się jako prawdziwa kobieta renesansu. Jest badaczką Instytutu Medycznego Howarda Hughesa, ale także klasycznie wyszkoloną sopranistką, która występuje z Boston Landmarks Orchestra oraz Towarzystwem Handla i Haydna.

Oprócz nauczania i śpiewu Extavour bada biochemię i genetykę najwcześniejszego życia na ziemi. Chce wiedzieć, jak rozwinęły się pierwsze komórki i ostatecznie przekształciły się w organizmy wielokomórkowe. Jakie mechanizmy komórkowe umożliwiło złożone życie? ona pyta. Mówiąc dokładniej, jaki szczególny wpływ mogą mieć komórki rozrodcze — które wytwarzają komórki jajowe lub plemniki i przekazują informację genetyczną od rodziców potomstwu — na rozwój życia wielokomórkowego?

Jej praca laboratoryjna, łącząca eksperymenty i zaawansowaną matematykę, zyskała szerokie uznanie wśród biologów ewolucyjnych.

W jej 2000 roku rozprawa doktorskaExtavour wykazał, że komórki rozrodcze rywalizują o szansę przekazania informacji następnemu pokoleniu. W jej laboratorium na Harvardziewykazała, że ​​bakterie odegrały rolę w tworzeniu genów ważnych dla tworzenia linii komórek rozrodczych w większym, bardziej złożonym życiu. Niedawno, badając jaja owadów, Extavour i jej zespół obalili szeroko rozpowszechnione założenie na temat przyczyn ogromnej różnorodności kształtów komórek.

„Jestem bardzo ciekawa początków życia wielokomórkowego na Ziemi” – wyjaśniła Extavour w niedawnym wywiadzie dla Zoom w swoim biurze w Cambridge. „Wiem, że nigdy tego nie zobaczę. Ale dużo o tym myślę.”

Quanta rozmawiałem z nią w trzech oddzielnych wywiadach późną jesienią. Wywiady zostały skrócone i zredagowane dla przejrzystości.

Ponieważ Twoje badania skupiają się na początkach, zacznijmy od Twoich. Gdzie dorastałeś?

Toronto, w ówczesnej dzielnicy robotniczej zwanej Aneksem. Zamieszkały niemal w całości rodziny imigrantów z całego świata.

Czy byłeś jednym z tych dzieci, które zawsze wiedziały, że chcą zostać naukowcem, gdy dorosną?

Nie. Wyobrażałem sobie, że będę muzykiem. A może tancerz. Od czwartego roku życia grałem na stalowych bębnach. Już w bardzo młodym wieku umiałem czytać nuty. Naukę gry na instrumentach dętych zacząłem już w szkole podstawowej. Później uczyłem się śpiewu.

W moim dzieciństwie było po prostu dużo muzyki. Mój ojciec, imigrant z Trynidadu, wspierał rodzinę jako technik w CBC, kanadyjskiej firmie nadawczej. Ale był też zawodowym muzykiem. Regularnie koncertował. Występowałem z nim.

W rodzinie panowało poczucie, że ja i moje rodzeństwo możemy zrobić wszystko, o czym tylko zapragniemy – czy to opanować nowy instrument, czy dostać się do najlepszej szkoły średniej w mieście. Jeśli wyraziłem zainteresowanie czymś, odpowiedź brzmiała: „Idź do biblioteki, dowiedz się wszystkiego na ten temat i przygotuj plan”.

Twoja rodzina wydaje się niezwykła.

Historia rodzinna była taka, że ​​byliśmy ludźmi o skromnym pochodzeniu, ale utalentowanymi, silnymi i niesamowicie kreatywnymi.

Zdecydowanie wychowywano nas w przekonaniu, że jesteśmy inni, wyjątkowi, ale inni mogli tego nie dostrzegać. Nasi rodzice nauczali nas: „Świat nie zawsze będzie cenił cię za to, kim jesteś. Nie pozwól, aby to powstrzymywało Cię od prowadzenia najlepszego życia, jakie tylko potrafisz.”

Czy dorastanie w rodzinie międzyrasowej w Kanadzie lat 1970. było trudne?

Od najmłodszych lat rozumiałam, że wielu ludziom nie podobało się to, że mój ojciec był czarny, a mama biała. Rodzina mojej matki nie była zachwycona faktem, że wyszła za mąż za czarnego mężczyznę i miała czworo czarnych dzieci. Zaakceptowanie tego zajęło im trochę czasu.

Z perspektywy czasu zdałem sobie sprawę, że zewnętrzność naszej rodziny dała mi wiele przydatnych narzędzi. Na przykład od najmłodszych lat wiedziałem, że świat zewnętrzny może być wobec mnie wrogi, więc nie mogłem na nim polegać, jeśli chodzi o trafną informację zwrotną. Mam już dużo praktyki w samodzielnym decydowaniu, czy coś jest dobre, złe – lub interesujące. To ogromna zaleta podczas projektowania eksperymentów.

Biorąc pod uwagę Twoje wczesne zainteresowanie występami, jak zainteresowanie genetyką pojawiło się w Twoim życiu?

Całkowicie przez przypadek. Na pierwszym roku studiów na Uniwersytecie w Toronto znalazłem się w sytuacji, w której musiałem szybko wybrać kierunek studiów. Śpiewałam wtedy w chórze i zapytałam siedzącą obok mnie sąsiadkę, co u niej. – Genetyka – powiedziała. To była całkowicie przypadkowa decyzja.

Ale szczęściarz?

Tak. Ponieważ studenci genetyki musieli zdawać biochemię. Wcześniej brałem udział w zajęciach z biologii, ale stwierdziłem, że – przynajmniej w sposobie, w jaki ich uczono – stanowią niepołączoną listę rzeczy do zapamiętania.

Z drugiej strony biochemia była ekscytującą zagadką logiczną. Było tam wiele różnych części – białka, mitochondria, geny – i wszystkie współpracowały ze sobą, tworząc komórkę zdolną do wykonywania różnych zadań. Zabawa polegała na odkryciu, w jaki sposób poszczególne elementy współdziałają ze sobą. Uważam, że to całkowicie wciągające.

Nie dorastałem w środowisku akademickim. Nie wiedziałem nic o karierze naukowej ani o tym, że zawód, który dzisiaj wykonuję, w ogóle istnieje.

Zapytałem jednak w szkole i jeden ze starszych uczniów powiedział mi: „Jeśli chcesz zająć się poważną genetyką, musisz ukończyć szkołę wyższą i zdobyć doktorat”.

Zdecydowałeś się na studia magisterskie w Europie. Dlaczego tutaj?

Wybrałem Uniwersytet Autonomiczny w Madrycie, ponieważ chciałem biegle władać językiem hiszpańskim i chciałem się na nim uczyć Antonio Garcia-Bellido, jeden z najwybitniejszych genetyków rozwojowych XX wieku. Kiedy czytałem jego artykuły, wydawało się, że myśli o rozwoju w sposób, w jaki nikt inny tego nie robił.

Myśląc później o tej decyzji, z perspektywy czasu wydawało mi się to mądrym wyborem z jeszcze jednego powodu. Gdybym ukończył pracę magisterską w Stanach Zjednoczonych, do czego mnie zachęcano, studia podyplomowe stałyby się trudniejsze niż dotychczas. W USA odczuwa się ciągły atak podziałów rasowych.

Rozprawa doktorska, którą napisałeś pod kierunkiem Garcíi-Bellido, na temat selekcji w linii zarodkowej muszki owocowej, miał ogromny wpływ na genetykę rozwojową. Dlaczego był to taki hit?

Ponieważ dostarczyłem bezpośrednich dowodów eksperymentalnych na coś, o czym od dawna stawiano hipotezy, ale czego wcześniej nie pokazano. Mianowicie, tak jak całe zwierzęta można poddać selekcji naturalnej, gdzie osobniki przystosowane przeżywają lepiej niż te mniej sprawne, tak samo mogą zrobić poszczególne komórki rozrodcze rozwijającego się zwierzęcia.

Komórki rozrodcze są fascynujące, ponieważ stanowią szczególną nowość wśród organizmów wielokomórkowych. Prawie każda większa wielokomórkowa forma życia, która odniosła sukces, rozmnaża się za pomocą komórek rozrodczych. W ten sposób geny przekazywane są z pokolenia na pokolenie. To one umożliwiają komórkom sklejanie się lub tworzenie dużego wielokomórkowego konglomeratu, takiego jak banan lub człowiek.

Udowodniłeś więc, że komórki rozrodcze muszek owocowych rywalizują ze sobą. Ale w jaki sposób? Jaki był charakter ich rywalizacji?

Ze względu na mutacje powstające spontanicznie w tkankach, różne komórki rozrodcze w organizmie mogą mieć nieco inne geny. Mutacje te mogą wpływać na wzrost komórek rozrodczych i wytwarzanie pomyślnych komórek jajowych lub plemników, co stawia je w konkurencji z doborem naturalnym. Okazuje się jednak, że wiele z tych samych genów wpływa również na procesy rozwojowe w całej reszcie ciała. Zatem ten proces selekcji wśród komórek rozrodczych może mieć poważny wpływ na zdrowie i kondycję urodzonego potomstwa przez całe jego życie.

Twoja rozprawa miała poważne implikacje dla biologii ewolucyjnej, prawda?

Tak się stało. Zrozumienie, w jaki sposób ewoluuje program genetyczny, aby wytworzyć ten niewielki podzbiór komórek rozrodczych, jest naprawdę ważne.

Większą część mojej późniejszej kariery zawodowej kierowała chęć zrozumienia, w jaki sposób pojedyncza komórka, zapłodnione jajo, tworzy złożonego, wielokomórkowego dorosłego osobnika złożonego z milionów komórek. Próbuję dowiedzieć się, jak powstały różne typy komórek w organizmach.

Wśród pytań, które zadaję, jest: Skąd oni wiedzą, co robić? Jakich genów używają do tego? A skoro pierwsze życie na Ziemi było jednokomórkowe, jak w ogóle ewoluowały geny i typy komórek wielokomórkowych?

Co stało się z twoimi zainteresowaniami muzycznymi, kiedy próbowałeś zrozumieć komórki rozrodcze?

Przez cały czas znajdowałem sposoby na zajmowanie się nauką i muzyką. Pracując w Madrycie, a później, kiedy odbyłem staż podoktorski w Cambridge w Wielkiej Brytanii, nadal studiowałem śpiew. Ponadto brałem udział w przesłuchaniach i występowałem w weekendy.

W czasie, gdy pisałam doktorat i postdoc, mój nauczyciel śpiewu przebywał w Szwajcarii. Miał innych studentów w Madrycie i przyjeżdżał do Hiszpanii mniej więcej co sześć tygodni, aby z nami pracować. Czasami latałem do Bazylei na lekcje. Nagrywałem jego lekcje, a potem je studiowałem.

Oczywiście zdarzały się momenty, gdy te dwa interesy były ze sobą sprzeczne. Po ukończeniu doktoratu nauczyciel śpiewu namawiał mnie, abym całkowicie poświęciła się śpiewaniu. „Masz teraz 26 lat” – powiedział. „Czas poważnie podejść do swojego głosu. Teraz albo nigdy."

Rozważyłem jego argument. Ale bardzo interesowałem się biologią. Ostatecznie musiałem znaleźć sposób na jedno i drugie.

Na szczęście, zarówno jako student, jak i postdoktor, miałem bardzo doświadczonych głównych badaczy, którzy zapewniali mi dużą niezależność. O ile wykonywałem pracę na oczekiwanym wysokim poziomie, mogłem układać sobie własny harmonogram.

Może to oznaczać spędzenie kilku dodatkowych nocy w laboratorium na dopracowywaniu muszek owocowych, ponieważ nie byłbym w stanie się nimi zająć podczas trasy koncertowej. Albo noszenie much w torbie, żebym nie musiał przerywać eksperymentu.

Zrobiłeś doktorat u zoologa Michał Akam w Cambridge. W epoce, w której dominuje biochemia, badanie całych zwierząt może czasami wydawać się powrotem do innego stulecia. Dlaczego to wybrałeś?

Ponieważ chciałem przenieść ustalenia zawarte w mojej rozprawie doktorskiej na kolejny etap. W pracy doktorskiej zbadano zachowanie komórek rozrodczych u jednego zwierzęcia. W Cambridge zapytałem, jak zachowują się komórki rozrodcze u wszystkich zwierząt i jak ewoluowały. Aby to zrobić, badałem w laboratorium jeżowce, skorupiaki i ukwiały. Potem przeczytałem literaturę historyczną, prawie wszystko, co ukazało się na temat komórek rozrodczych setek różnych gatunków.

Przez całą moją karierę starałem się opierać na wcześniejszych ustaleniach, a to czasami oznacza wyjście poza pierwotną dyscyplinę lub rozciągnięcie jej definicji. Obecnie w moim laboratorium próbujemy zrozumieć ewolucję rozwoju, biorąc pod uwagę nie tylko geny.

W naszych badaniach uwzględniamy ekologię i środowisko. Zamiast po prostu badać muszki owocowe w izolacji, przyglądamy się drobnoustrojom żyjącym wewnątrz muszek i roślinom, którymi się żywią. Mamy nadzieję, że dzięki tej pracy zrozumiemy, jak procesy rozwojowe mogą ewoluować w rzeczywistych środowiskach.

Jakie są według Ciebie najważniejsze odkrycia, jakie udało Ci się uzyskać z Twojego laboratorium na Harvardzie?

Po pierwsze, wykazanie, że sygnalizacja komórkowa nie jest dla zwierząt niezwykłym sposobem wytwarzać embrionalne komórki rozrodcze — to znaczy komórki, które staną się komórkami jajowymi i plemnikami. Przez większą część XX wieku w podręcznikach dominowała koncepcja, że ​​u owadów i większości innych zwierząt „plazma zarodkowa” w jajku na bardzo wczesnym etapie rozwoju utworzyła odrębną linię komórek rozrodczych. Pokazaliśmy jednak, że u świerszczy komórki ciała ulegają przemianie w komórki rozrodcze na podstawie sygnałów z otaczających tkanek. Dzieje się tak również u myszy i innych ssaków, ale uważano, że jest to nowy mechanizm, który rzadko pojawiał się w ewolucji.

Po drugie, odkrycie w 2020 r., że dawno zaginieni krewni oskar, gen bardzo znany ze swojej istotnej roli w reprodukcji owadów, był w rzeczywistości od bakterii, nie tylko od wcześniejszych zwierząt. Gen ten wyewoluował w wyniku fuzji sekwencji genomu bakteryjnego z sekwencjami genomu zwierzęcego. Sugeruje to, że poprzednicy oskar pełnił bardzo różne funkcje, prawdopodobnie w rozwoju układu nerwowego, i że dalsze badania nad ewolucją jego nowego celu mogą być bardzo pouczające.

Po trzecie, fałszowanie stuletnich „praw”, które przewidywały kształty struktur biologicznych. Jaja owadów są bardzo zróżnicowane, mają osiem rzędów wielkości i bardzo różne kształty. Poprzednie założenia były takie, że pewnego rodzaju uniwersalne „prawo”, mające zastosowanie do wszystkich zwierząt, może wyjaśnić ewolucję kształtów i rozmiarów komórek oraz struktur zbudowanych z komórek. W przypadku jaj istniało wiele wcześniejszych hipotez na temat tego, jakie są te prawa, m.in. że wymiary jaj odzwierciedlały wymagania tempa rozwoju lub wielkość ciała dorosłego osobnika każdego gatunku.

Stworzyliśmy jednak niezrównany zestaw danych obejmujący ponad 10,000 XNUMX pomiarów jaj owadów i odkryliśmy to To, co naprawdę najlepiej przewidywało rozmiar i kształt jaja, to miejsce, w którym zostanie ono złożone. Jaja składane na ziemi lub pod liśćmisą zasadniczo eliptyczne. Jaja składane w wodzie są zwykle mniejsze i bardziej kuliste. Jaja pasożytów składane wewnątrz innych owadów są również małe, ale asymetryczne.

Jak doszło do przeniesienia swojej pracy z Cambridge do Harvardu?

W 2003 roku Harvard zaprosił mnie do poprowadzenia seminarium. Potem ludzie mówili: „Czy wiesz, że otwiera się stanowisko adiunkta w dziedzinie ewolucyjnej biologii rozwoju? Powinieneś aplikować.”

W Cambridge byłem całkowicie szczęśliwy. Właśnie zdobyłem czteroletnie środki na badania. Szczerze mówiąc, nie sądziłem, że dostanę tę pracę, ponieważ miałem całkiem jasne pojęcie o tym, czego szuka Harvard, i nie wyglądało to na mnie. Byłem zaskoczony, gdy otrzymałem ofertę.

W ciągu kilku lat zdobyłeś etat. Tak naprawdę została Pani pierwszą czarnoskórą kobietą zatrudnioną na stanowisku profesora nauk biologicznych na Wydziale Sztuki i Nauki Uniwersytetu Harvarda. Czy to było przyjemne uczucie – czy też było ciężarem?

Obydwa. Słuchaj, to nie był pierwszy raz w moim życiu, kiedy byłem „pierwszy”. Bycie jedyną czarną kobietą w całkowicie białym środowisku to w zasadzie historia mojego życia zawodowego. Wybranym przeze mnie obszarem pracy jest głównie kolor biały. Często, gdy robię coś zawodowo, jestem pierwszą czarną kobietą, która to zrobiła. To nie jest refleksja na mój temat. To refleksja na boisku.

Czy doświadczyłeś uprzedzeń na Harvardzie?

Nie doświadczyłem dużej liczby celowej blokady lub ukierunkowanej dyskryminacji. Ale często coś się dzieje. Przyjdę po coś do drzwi i powiedziano mi, żebym skorzystał z wejścia dla obsługi. „Och, jestem tu na kolacji [Harvard] Corporation” – wyjaśniam. „O tak, wejście dla obsługi jest z tyłu.”

Albo jestem głównym mówcą na konferencji. Pójdę do recepcji i usłyszę: „Czekasz na kogoś?”

To takie ciągłe. Stwierdzenie, że powinniśmy zareagować tak, jakby „spłynęła woda po kaczce”, oznacza, że ​​nie pozostawiają po sobie żadnych pozostałości. Istnieje ogromne nagromadzenie tkanki bliznowatej. Nie mogę używać przestrzeni mózgowej do przechowywania każdego z nich, ponieważ potrzebuję przestrzeni mózgowej do robienia innych rzeczy.

Powszechnie wiadomo, że stosunkowo niewielu czarnoskórych Amerykanów studiuje na kierunkach STEM, aby uzyskać wyższe stopnie naukowe. Stanowią oni 14% populacji i zaledwie 7% doktorantów nauk ścisłych i inżynieryjnych. W oparciu o to, czego byłeś świadkiem, dlaczego istnieje taka rozbieżność?

Jednym z powodów jest to, że nauki eksperymentalne i teoretyczne opierają się w większości na modelu praktykowania lub modelu strażnika. Dostęp do kariery uzyskuje się poprzez mentora lub doradcę. Trenerzy wybierają uczestników, z którymi się identyfikują. Jeśli odźwierni należą do określonej grupy, utrwalają tę grupę.

Czy możesz wykorzystać swoje stanowisko do wspierania studentów z mniejszości zainteresowanych karierą naukową?

Robię wszystko, żeby się dla nich pojawić. Priorytetem jest dla mnie rozmowa z uczniami z mniejszości, kiedy tego potrzebują. W przypadku uczniów z mniejszości ważne jest zapewnienie pozytywnej obecności i chętnego ucha.

To powiedziawszy, występuję przed wszystkimi moimi uczniami. Dla większości studentów jestem często pierwszym czarnoskórym profesorem, jakiego spotykają. To ważne, żeby mnie znali.

O drugiej części Twojego życia – muzyce. Czy Twoja muzyka w ogóle wspiera Twoją naukę?

Nie powiedziałbym tak – chociaż kiedy śpiewam, mój mózg i ciało rzeczywiście odpoczywają od nauki.

I wzajemnie. Obydwa zajęcia są niezwykle wymagające i absorbujące na różne sposoby. Zmiana zajęć daje części mnie szansę na odpoczynek, nabranie sił i przemyślenie spraw w podświadomości, podczas gdy jestem zajęty czymś innym. Kiedy wrócę, rzeczy podświadome mogą powrócić na powierzchnię.

Być może w pewnym stopniu pokrywają się one w rzeczywistości, że oba są kreatywnymi przedsiębiorstwami rozwiązującymi problemy. W sztuce masz coś do przekazania. Ty wybierasz środek. Próbujesz doskonalić swój sposób wyrażania się, wychodzisz i robisz to. W nauce gromadzisz zasoby, odpowiadasz na pytanie i przekazujesz je światu. Pod tym względem są nieco podobni.

Występowałeś w grudniu w Lincoln Center w Nowym Jorku w ramach zespołu prezentującego sztukę Handla Mesjasz. Jak przygotowujesz się do takiego występu?

Szczerze mówiąc, wyobrażam sobie sukces. Kiedy czekamy za kulisami na nasze wejście, widzę w myślach koniec występu i brawa. Wyobrażam sobie owacje na stojąco i widok ludzi w pierwszym rzędzie z wyrazem zachwytu na twarzach. Wyobrażam sobie siebie podczas występu: czuję się wolny, wypełniony muzyką, czuję, że moje ciało jest naczyniem do komunikacji muzyki.

Czy kiedykolwiek żałowałeś, że gdy miałeś okazję, nie przeprowadziłeś się do Szwajcarii i nie poświęciłeś się muzyce na pełen etat?

Nie. Nauka była wyborem, który zaprowadził mnie do niesamowitej i ekscytującej kariery: większość czasu spędzam, próbując zrozumieć pochodzenie życia wielokomórkowego i komórek rozrodczych, i właściwie jest to moja płatna praca! Chcę to dalej wybierać. To bardzo interesujące i zabawne.