Талантливый учёный ищет истоки многоклеточности | Журнал Кванта

In Кассандра ЭкставурВ офисе Гарвардского университета висит плакат с нарисованным радужным флагом и дружеским приглашением.

«Добро пожаловать сюда», — написано там.

«Я это поддерживаю, потому что считаю, что важно позволить людям увидеть вашу личность, особенно когда эта личность недостаточно хорошо представлена», — объяснила Экставур, эволюционный генетик, которая в 2014 году стала первой чернокожей женщиной, получившей должность специалиста по биологическим наукам в Гарвардском университете. Факультет искусств и наук.

Сама Экставур обладает множеством личностей, как профессиональных, так и личных, которых достаточно, чтобы считаться настоящей женщиной эпохи Возрождения. Она является исследователем Медицинского института Говарда Хьюза, а также сопрано с классическим образованием, выступает с Бостонским оркестром Landmarks и Обществом Генделя и Гайдна.

Помимо преподавания и пения, Экставур исследует биохимию и генетику древнейшей жизни на Земле. Она хочет знать, как первые клетки развивались и в конечном итоге превратились в многоклеточные организмы. Какие клеточные механизмы сделал сложную жизнь возможной? она спрашивает. Точнее, какое особое влияние могли бы оказать зародышевые клетки, из которых образуются яйцеклетки или сперматозоиды, передающие генетическую информацию от родителей потомству, на развитие многоклеточной жизни?

Ее лабораторная работа, сочетающая в себе эксперименты и высшую математику, завоевала широкое признание среди биологов-эволюционистов.

В ней 2000 докторская диссертацияЭкставур показал, что зародышевые клетки конкурируют за возможность передать свою информацию следующему поколению. В ее лаборатория в Гарварде, она показала, что бактерии сыграли роль в создании генов, которые были важны для создания линий зародышевых клеток в более крупной и сложной жизни. Совсем недавно, изучая яйца насекомых, Экставур и ее команда опровергли широко распространенное предположение о том, что является причиной большого разнообразия клеточных форм.

«Мне очень интересно узнать о происхождении многоклеточной жизни на Земле», — объяснила Экставур в недавнем интервью Zoom из своего офиса в Кембридже. «Я знаю, что никогда этого не увижу. Но я много об этом думаю».

Quanta поздней осенью говорил с ней в трех отдельных интервью. Интервью были сокращены и отредактированы для ясности.

Поскольку ваше исследование сосредоточено на истоках, давайте начнем с вашего. Где ты вырос?

Торонто, в тогдашнем рабочем квартале под названием «Пристройка». Он был почти полностью заселен семьями иммигрантов со всего мира.

Вы были одним из тех детей, которые всегда знали, что хотят вырасти и стать учеными?

Нет. Я представлял, что стану музыкантом. Или, возможно, танцор. Я играл на стальных барабанах с 4 лет. Я умел читать ноты в очень молодом возрасте. Я взял в руки духовые инструменты в начальной школе. Позже я изучал голос.

В моем детстве было просто много музыки. Мой отец, иммигрант из Тринидада, поддерживал семью, работая техническим специалистом в канадской радиовещательной компании CBC. Но он также был профессиональным музыкантом. Он регулярно давал концерты. Я выступал с ним.

В семье было ощущение, что мы с братьями и сестрами можем сделать все, что задумаем, — будь то освоение нового инструмента или поступление в лучшую среднюю школу в городе. Если я проявлял к чему-то интерес, ответ был: «Сходи в библиотеку, узнай все об этом и составь план».

Ваша семья кажется замечательной.

Семейная история заключалась в том, что мы были людьми скромного происхождения, но талантливыми, сильными и невероятно творческими.

Нас определенно воспитали с мыслью, что мы разные, особенные, но другие могут этого не осознавать. Наши родители учили нас: «Мир не всегда будет ценить вас такими, какие вы есть. Не позволяйте этому помешать вам жить как можно лучше».

Трудно ли было расти в межрасовой семье в Канаде 1970-х годов?

С раннего возраста я понимал, что многим не нравится тот факт, что мой отец был черным, а мать — белой. Семья моей матери не была в восторге от того, что она вышла замуж за чернокожего и родила четырех чернокожих детей. Им потребовалось время, чтобы принять это.

Оглядываясь назад, я понял, что аутсайдерство нашей семьи дало мне много полезных инструментов. Например, я с раннего возраста знал, что внешний мир может быть настроен ко мне враждебно, и поэтому не мог рассчитывать на то, что он даст точную обратную связь. Я получил много ранней практики, решая для себя, хорошее ли что-то, плохое или интересное. Это огромный плюс при планировании экспериментов.

Учитывая ваш ранний интерес к выступлениям, как в вашу жизнь пришел интерес к генетике?

Совершенно случайно. На первом году обучения в Университете Торонто я оказался в ситуации, когда мне нужно было быстро выбрать специальность. Я в это время пел хором и спросил соседку, сидевшую рядом со мной, что у нее. «Генетика», — сказала она. Это было совершенно случайное решение.

Но счастливчик?

Да. Потому что специалисты по генетике должны были изучать биохимию. Раньше я посещал уроки биологии, но обнаружил, что они — по крайней мере, так, как их преподают — представляли собой разрозненный список вещей, которые нужно запомнить.

Биохимия, с другой стороны, представляла собой захватывающую логическую головоломку. Были все эти разные части — белки, митохондрии, гены — и все они работали вместе, чтобы создать клетку, которая могла бы что-то делать. Цель игры заключалась в том, чтобы выяснить, как детали работают вместе. Я нашел это совершенно интересным.

Я вырос не в академической среде. Я ничего не знал об исследовательской карьере и о том, что работа, которую я занимаю сегодня, вообще существует.

Но я поспрашивал в школе, и один из старших учеников сказал мне: «Если ты хочешь серьезно заниматься генетикой, тебе нужно поступить в аспирантуру и получить докторскую степень».

Вы решили учиться в аспирантуре в Европе. Почему там?

Я выбрал Мадридский автономный университет, потому что хотел свободно говорить по-испански и учиться у него. Антонио Гарсиа-Беллидо, один из выдающихся генетиков развития 20-го века. Когда я читал его статьи, мне казалось, что он думает о развитии так, как никто другой.

Если подумать об этом решении позже, то, оглядываясь назад, я подумал, что это мудрый выбор по другой причине. Если бы я закончил дипломную работу в Соединенных Штатах, что меня поощряли, это сделало бы аспирантуру более трудной, чем она была сейчас. В США вы чувствуете постоянное натиск расового разделения.

Докторская диссертация, которую вы написали под руководством Гарсиа-Беллидо, о селекции зародышевой линии плодовой мухи., оказали огромное влияние на генетику развития. Почему это был такой блокбастер?

Потому что я предоставил прямые экспериментальные доказательства того, что уже давно выдвигалось в качестве гипотезы, но ранее не было показано. А именно, как целые животные могут подвергаться естественному отбору, при котором приспособленные особи выживают лучше, чем менее приспособленные, так и отдельные зародышевые клетки развивающегося животного могут делать то же самое.

Половые клетки интересны тем, что представляют собой особую новинку многоклеточных организмов. Почти каждая крупная успешная многоклеточная форма жизни размножается с помощью зародышевых клеток. Именно благодаря им гены передаются от одного поколения к другому. Именно они обеспечивают способность клеток слипаться или образовывать большой многоклеточный конгломерат, такой как банан или человек.

Итак, вы доказали, что зародышевые клетки плодовых мушек конкурируют. Но каким образом? Какова была природа их конкуренции?

Из-за мутаций, которые спонтанно возникают в тканях, разные половые клетки организма могут иметь несколько разные гены. Эти мутации могут повлиять на то, насколько хорошо зародышевые клетки растут и производят успешные яйцеклетки или сперматозоиды, что ставит их в конкуренцию естественному отбору. Но оказывается, что многие из тех же генов также влияют на процессы развития во всех остальных частях тела. Таким образом, этот процесс отбора среди зародышевых клеток может иметь серьезные последствия для здоровья и приспособленности потомства на протяжении всей его жизни.

Ваша диссертация имела большое значение для эволюционной биологии, не так ли?

Так оно и было. Понимание того, как вы развиваете генетическую программу для создания этого крошечного подмножества репродуктивных клеток, действительно важно.

Большую часть моей последующей карьеры я руководствовался желанием понять, как одна клетка, оплодотворенная яйцеклетка, создает сложную многоклеточную взрослую особь, состоящую из миллионов клеток. Я пытаюсь выяснить, как впервые возникли различные типы клеток в организмах.

Среди вопросов, которые я задаю, есть такой: откуда они знают, что делать? Какие гены они используют для этого? И поскольку первая жизнь на Земле была одноклеточной, как вообще развивались многоклеточные гены и типы клеток?

Что случилось с вашими музыкальными интересами, пока вы пытались понять зародышевые клетки?

Попутно я находил способы заниматься как наукой, так и музыкой. Работая в Мадриде, а затем, когда я работал постдоком в Кембридже в Великобритании, я все еще изучал голос. Более того, я посещал прослушивания и выступал в шоу по выходным.

Пока я работал над докторской диссертацией и постдоком, мой преподаватель по вокалу находился в Швейцарии. У него были другие ученики в Мадриде, и он приезжал в Испанию примерно каждые шесть недель, чтобы работать с нами. Иногда я летал в Базель на уроки. Я записывал его уроки и потом изучал их.

Конечно, бывали моменты, когда эти два интереса расходились. После того, как я защитил докторскую диссертацию, мой преподаватель по вокалу посоветовал мне полностью посвятить себя пению. «Тебе сейчас 26», — сказал он. «Пришло время серьезно отнестись к своему голосу. Сейчас или никогда."

Я обдумал его аргументы. Но у меня был большой интерес к биологии. В конце концов мне пришлось найти способ сделать и то, и другое.

К счастью, будучи одновременно аспирантом и постдоком, у меня были очень старшие ведущие исследователи, которые давали мне большую независимость. Пока я выполнял работу на ожидаемом высоком уровне, я мог составить свой собственный график.

Это может означать, что я проведу несколько дополнительных ночей в лаборатории, приводя плодовых мушек в форму, потому что я не смогу ухаживать за ними во время тура с шоу. Или носить мух с собой в сумке, чтобы не прерывать эксперимент.

Вы сделали свой постдок у зоолога Майкл Акам в Кембридже. В эпоху преобладания биохимии изучение животных целиком иногда может показаться возвратом в другой век. Почему вы выбрали его?

Потому что я хотел перенести выводы моей диссертации на следующий шаг. В диссертации исследовалось, как вели себя половые клетки у одного животного. В Кембридже я спросил, как ведут себя зародышевые клетки у всех животных и как они эволюционировали. Для этого я изучал в лаборатории морских ежей, ракообразных и актинии. Затем я прочитал историческую литературу, почти все опубликованное о половых клетках сотен различных видов.

На протяжении всей своей карьеры я пытался опираться на предыдущие открытия, а это иногда означало выход за пределы исходной дисциплины или расширение ее определений. Прямо сейчас в моей лаборатории мы пытаемся понять эволюцию развития, рассматривая не только гены.

Мы включаем экологию и окружающую среду в наши исследования. Вместо того, чтобы просто изучать плодовых мух изолированно, мы изучаем микробы, живущие внутри мух, и растения, которыми они питаются. С помощью этой работы мы надеемся понять, как процессы развития могут развиваться в реальных условиях.

Какие самые важные открытия вы бы назвали результатом вашей гарвардской лаборатории?

Во-первых, мы хотим показать, что передача сигналов между клетками не является чем-то необычным для животных. генерировать эмбриональные половые клетки — то есть клетки, которые станут яйцеклетками и сперматозоидами. Идея, которая доминировала в учебниках на протяжении большей части 20-го века, заключалась в том, что у насекомых и большинства других животных «зародышевая плазма» в яйце формирует четкую линию зародышевых клеток на очень ранних стадиях развития. Но мы показали, что у сверчков клетки тела превращаются в зародышевые клетки под действием сигналов, поступающих из окружающих тканей. То же самое происходит с мышами и другими млекопитающими, но считалось, что это новый механизм, который редко появлялся в эволюции.

Во-вторых, в 2020 году выяснилось, что давно пропавшие родственники Оскар, ген, очень известный своей важной ролью в размножении насекомых, на самом деле были от бактерий, а не только от более ранних животных. Этот ген возник в результате слияния последовательностей бактериального генома с последовательностями генома животных. Это предполагает, что предшественники Оскар имел совершенно разные функции, возможно, в развитии нервной системы, и дальнейшее изучение того, как оно приобрело свое новое предназначение, может быть весьма информативным.

В-третьих, фальсификация вековых «законов», предсказывающих формы биологических структур. Яйца насекомых сильно различаются: на восемь порядков по размеру и совершенно разной форме. Предыдущие предположения заключались в том, что некий универсальный «закон», применимый ко всем животным, мог бы объяснить эволюцию формы и размеров клеток и структур, состоящих из клеток. В случае с яйцами ранее существовало множество гипотез о том, что это за законы, в том числе, например, о том, что размеры яиц отражают требования скорости развития или размера тела взрослой особи для каждого вида.

Но мы собрали беспрецедентный набор данных, содержащий более 10,000 XNUMX измерений яиц насекомых, и обнаружили, что Что действительно лучше всего предсказывало размер и форму яйца, так это то, где оно будет отложено. Яйца, отложенные на землю или под прикрытиемОни в основном эллиптические. Яйца, отложенные в воду, обычно меньше по размеру и имеют более сферическую форму. Яйца паразитоидов, отложенные внутри других насекомых, также небольшие, но асимметричные.

Как вам удалось перенести свою работу из Кембриджа в Гарвард?

В 2003 году Гарвард пригласил меня провести семинар. После этого люди говорили: «Вы знаете, что открыта вакансия доцента по эволюционной биологии развития? Вам следует подать заявку».

Я был совершенно счастлив в Кембридже. Я только что получил финансирование на исследования на четыре года. Честно говоря, я не думал, что получу эту работу, потому что у меня было довольно четкое представление о том, что ищет Гарвард, и это было не похоже на меня. Я был удивлен, получив предложение.

Через несколько лет вы выиграли должность. Фактически, вы стали первой чернокожей женщиной, работающей в области биологических наук на факультете искусств и наук Гарварда. Было ли это приятно или как бремя?

Оба. Послушайте, это был не первый раз в моей жизни, когда я был «первым». Быть единственной чернокожей женщиной среди белых — это, по сути, история моей профессиональной жизни. Моя выбранная сфера работы преимущественно белая. Часто, когда я что-то делаю профессионально, я первая чернокожая женщина, которая это сделала. Это не отражение меня. Это отражение на поле.

Сталкивались ли вы с какой-либо предвзятостью в Гарварде?

Я не сталкивался с масштабной преднамеренной блокировкой или целенаправленной дискриминацией. Но часто всякое случается. Я подхожу к двери за чем-то, и мне говорят воспользоваться служебным входом. «О, я здесь на ужине [Гарвардской] корпорации», — объясняю я. — Ах да, служебный вход сзади.

Или я основной докладчик на конференции. Подхожу к стойке регистрации и слышу: «Вы кого-то ждете?»

Это так постоянно. Сказать, что мы должны реагировать так, будто «с гуся вода», подразумевается, что после этого не остается никаких остатков. Наблюдается огромное скопление рубцовой ткани. Я не могу использовать свое мозговое пространство для хранения каждого из них, потому что мне нужно мое мозговое пространство, чтобы делать другие вещи.

Хорошо известно, что относительно немногие чернокожие американцы получают ученые степени по дисциплинам STEM. Они составляют 14% населения и при этом лишь 7% докторантов в области науки и техники. Судя по тому, чему вы стали свидетелями, почему существует такое неравенство?

Одна из причин заключается в том, что экспериментальные и теоретические науки по большей части основаны на модели ученичества или привратника. Доступ к карьере можно получить через наставника или консультанта. Тренеры выбирают стажеров, с которыми они себя идентифицируют. Если привратники принадлежат к определенной группе, они увековечивают эту группу.

Можете ли вы использовать свое положение для поддержки студентов из числа меньшинств, заинтересованных в научной карьере?

Я делаю все возможное, чтобы появиться перед ними. Я отдаю приоритет общению со студентами из числа меньшинств, когда им это нужно. Для студентов, принадлежащих к меньшинствам, важно обеспечить позитивное присутствие и готовность выслушать.

Тем не менее, я прихожу ко всем своим ученикам. Для большинства студентов я часто являюсь первым чернокожим профессором, который у них когда-либо был. Им важно меня знать.

О другой стороне твоей жизни — музыке. Ваша музыка вообще питает вашу науку?

Я бы так не сказал, хотя, когда я пою, мой мозг и тело отдыхают от науки.

И наоборот. Оба занятия чрезвычайно требовательны и по-разному увлекательны. Изменение деятельности дает части меня возможность отдохнуть, подкрепиться и обдумать вещи в подсознании, пока я занят чем-то другим. Когда я вернусь, подсознательные вещи могут вернуться на поверхность.

Возможно, есть некоторое совпадение в том, что на самом деле они оба являются творческими предприятиями, решающими проблемы. В искусстве есть что сообщить. Вы выбираете среду. Вы пытаетесь усовершенствовать свое выражение этого, выходите и делаете это. В науке вы собираете свои ресурсы, отвечаете на вопрос и сообщаете его миру. В этом они чем-то похожи.

В декабре вы выступали в Линкольн-центре в Нью-Йорке в составе ансамбля, исполнявшего произведение Генделя. Мессия. Как вы готовитесь к такому выступлению?

Честно говоря, я представляю себе успех. Пока мы ждем за кулисами своего выхода, я мысленно вижу конец выступления и аплодисменты. Я представляю себе овации стоя и вижу людей в первом ряду с выражением восторга на лицах. Я представляю себя во время выступления: чувствую себя свободным, чувствую себя наполненным музыкой, чувствую, что мое тело является сосудом для передачи музыки.

Вы когда-нибудь сожалели о том, что, когда у вас была такая возможность, вы не переехали в Швейцарию и не занялись музыкой все свое время?

Нет. Наука была выбором, который привел меня к удивительной и захватывающей карьере: я провожу большую часть своего времени, пытаясь понять происхождение многоклеточной жизни и зародышевых клеток, и на самом деле это моя оплачиваемая работа! Я хочу продолжать выбирать это. Это очень интересно и весело.