Večnadarjeni znanstvenik išče izvore večceličnosti | Revija Quanta

In Cassandra Extavourpisarna na Univerzi Harvard visi plakat z naslikano mavrično zastavo in prijaznim vabilom.

"Tu ste dobrodošli," piše.

»Grem za to, ker mislim, da je pomembno ljudem dovoliti, da vidijo vašo identiteto, še posebej, če te identitete niso dobro predstavljene,« je pojasnila Extavourjeva, evolucijska genetičarka, ki je leta 2014 postala prva temnopolta ženska, ki je dobila službo za biološke vede na Harvardu. Fakulteta za umetnost in znanost.

Sama Extavour ima več identitet, tako poklicnih kot osebnih, kar je dovolj, da bi jo označili za pravo renesančno žensko. Je raziskovalka na medicinskem inštitutu Howard Hughes, a tudi klasično izobražena sopranistka, ki nastopa z orkestrom Boston Landmarks Orchestra in Handel and Haydn Society.

Poleg poučevanja in petja Extavour raziskuje biokemijo in genetiko najzgodnejšega življenja na zemlji. Želi vedeti, kako so se razvile prve celice in se sčasoma razvile v večcelične organizme. Kakšni celični mehanizmi omogočil kompleksno življenje? vpraša ona. Natančneje, kakšen poseben vpliv bi lahko imele zarodne celice – ki tvorijo jajčeca ali semenčice in prenašajo genetske informacije od staršev na potomce – na razvoj večceličnega življenja?

Njeno laboratorijsko delo, ki združuje eksperimentiranje in napredno matematiko, ji je prineslo široko pozornost med evolucijskimi biologi.

V njenem letu 2000 doktorska disertacija, Extavour je pokazal, da zarodne celice tekmujejo za priložnost, da prenesejo svoje informacije naslednji generaciji. noter njen laboratorij na Harvardu, je pokazala, da so imele bakterije vlogo pri ustvarjanju genov, ki so bili pomembni za vzpostavljanje linij zarodnih celic v večjem, bolj zapletenem življenju. Pred kratkim sta Extavour in njena ekipa med preučevanjem jajčec žuželk ovrgla splošno razširjeno domnevo o tem, kaj poganja veliko raznolikost celičnih oblik.

"Zelo me zanima izvor večceličnega življenja na Zemlji," je Extavour pojasnila v nedavnem intervjuju za Zoom iz svoje pisarne v Cambridgeu. »Vem, da tega ne bom nikoli videl. Ampak veliko razmišljam o tem.”

Quanta pozno jeseni z njo govoril v treh ločenih intervjujih. Intervjuji so bili zgoščeni in urejeni zaradi jasnosti.

Ker je vaše raziskovanje osredotočeno na začetke, začnimo pri vašem. Kje si odraščal?

Toronto, v takratni delavski soseski, imenovani Anex. Skoraj v celoti so ga naselile priseljenske družine z vsega sveta.

Ste bili eden tistih otrok, ki so vedno vedeli, da želijo odrasti in postati znanstvenik?

Ne. Predstavljal sem si, da bom glasbenik. Ali morda plesalka. Steklene bobne sem igral od svojega 4. leta. Že zelo mlad sem znal brati glasbo. V osnovni šoli sem se lotil pihala. Kasneje sem študiral glas.

V mojem otroštvu je bilo preprosto veliko glasbe. Moj oče, priseljenec iz Trinidada, je preživljal družino kot tehnik pri CBC, kanadski radiodifuzni družbi. Bil pa je tudi profesionalni glasbenik. Redno je koncertiral. Z njim sem nastopal.

Znotraj družine je obstajal občutek, da lahko z mojimi brati in sestrami naredimo vse, kar si zadamo - naj bo to obvladovanje novega inštrumenta ali pridobitev vpisa v najboljšo srednjo šolo v mestu. Če sem izrazil zanimanje za nekaj, je bil odgovor: "Pojdi v knjižnico, se pouči vse o tem in naredi načrt."

Vaša družina zveni izjemno.

Družinska zgodba je bila, da smo bili ljudje skromnega izvora, a nadarjeni, močni in neverjetno ustvarjalni.

Vsekakor smo bili vzgojeni z idejo, da smo drugačni, posebni, a drugi tega morda ne bodo prepoznali. Starši so nas učili: »Svet te ne bo vedno cenil takšnega, kakršen si. Naj vas to ne ovira pri tem, da bi živeli najboljše, kar lahko.«

Je bilo v Kanadi v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja težko odraščati v medrasni družini?

Že od malih nog sem razumel, da mnogim ni všeč dejstvo, da je moj oče temnopolt in mama bela. Družina moje mame ni bila navdušena, da se je poročila s črncem in imela štiri temnopolte otroke. Potrebovali so čas, da so to sprejeli.

V retrospektivi sem ugotovil, da mi je zunanjost naše družine dala veliko uporabnih orodij. Na primer, že od malih nog sem vedel, da je zunanji svet lahko sovražen do mene, zato nisem mogel računati na točne povratne informacije. Imel sem veliko zgodnje prakse pri odločanju, ali je nekaj dobro ali slabo - ali zanimivo. To je velika prednost, ko načrtujete poskuse.

Glede na vaše zgodnje zanimanje za nastopanje, kako se je zanimanje za genetiko pojavilo v vašem življenju?

Povsem po naključju. V prvem letniku fakultete na Univerzi v Torontu sem se znašel v situaciji, ko sem moral hitro izbrati smer. Takrat sem pela v refrenu in sem sosedo, ki je sedela poleg mene, vprašala, kaj je njen. "Genetika," je rekla. Bila je povsem naključna odločitev.

Toda srečnež?

ja Ker so morali magistri genetike opraviti biokemijo. Prej sem hodil na tečaje biologije, vendar sem ugotovil, da so – vsaj tako, kot so jih učili – nepovezan seznam stvari, ki si jih je treba zapomniti.

Biokemija pa je bila vznemirljiva logična uganka. Tam so bili vsi ti različni deli - beljakovine, mitohondriji, geni - in vsi so delali skupaj, da bi naredili celico, ki bi delala stvari. Igra je bila ugotoviti, kako deli delujejo skupaj. To se mi je zdelo popolnoma privlačno.

Nisem odraščal v akademskem okolju. Nič nisem vedela o raziskovalni karieri, niti o tem, da služba, ki jo imam danes, sploh obstaja.

Toda povpraševal sem po šoli in eden od starejših študentov mi je rekel: "Če se želite resno ukvarjati z genetiko, boste morali na podiplomski študij in pridobiti doktorat."

Odločili ste se za podiplomski študij v Evropi. Zakaj tam?

Avtonomno univerzo v Madridu sem izbral, ker sem želel tekoče govoriti špansko in ker sem želel študirati pri Antonio García-Bellido, eden izmed najpomembnejših razvojnih genetikov 20. stoletja. Ko sem bral njegove članke, se mi je zdelo, da o razvoju razmišlja tako, kot nihče drug.

Ko sem pozneje razmišljal o tej odločitvi, se je za nazaj zdela modra izbira iz drugega razloga. Če bi svoje diplomsko delo opravljal v Združenih državah, kar so me spodbujali, bi to otežilo podiplomsko šolanje, kot je bilo. V ZDA čutite nenehen napad rasne delitve.

Doktorska disertacija, ki ste jo pripravili pod vodstvom García-Bellida, o selekciji v zarodni liniji vinske mušice, močno vplivala na razvojno genetiko. Zakaj je bila taka uspešnica?

Ker sem zagotovil neposredne eksperimentalne dokaze za nekaj, kar je bilo dolgo domnevano, a prej ni bilo prikazano. Namreč, tako kot so lahko cele živali podvržene naravni selekciji, kjer primerne preživijo bolje kot manj primerne, lahko posamezne zarodne celice v razvijajoči se živali naredijo enako.

Zarodne celice so fascinantne, saj so posebna novost večceličnih organizmov. Skoraj vsaka večja uspešna večcelična oblika življenja se razmnožuje z zarodnimi celicami. Tako se geni prenašajo iz ene generacije v drugo. So tisto, kar celicam omogoča, da se držijo skupaj ali tvorijo velik večcelični konglomerat, kot je banana ali človek.

Torej ste dokazali, da so zarodne celice v vinskih mušicah tekmovale. Toda na kakšen način? Kakšna je bila narava njihovega tekmovanja?

Zaradi mutacij, ki se spontano pojavijo v tkivih, imajo lahko različne zarodne celice v organizmu nekoliko različne gene. Te mutacije lahko vplivajo na to, kako dobro zarodne celice rastejo in proizvajajo uspešna jajčeca ali spermo, kar jih postavlja v konkurenco glede na naravno selekcijo. Toda izkazalo se je, da mnogi od teh istih genov vplivajo tudi na razvojne procese v preostalem telesu. Tako ima lahko ta selekcijski proces med zarodnimi celicami velik vpliv na zdravje in kondicijo proizvedenih potomcev skozi vse življenje.

Vaša disertacija je močno vplivala na evolucijsko biologijo, kajne?

Res je. Razumevanje, kako razvijete genetski program za izdelavo te majhne podmnožice reproduktivnih celic, je zelo pomembno.

Velik del moje nadaljnje kariere je vodila želja po razumevanju, kako ena sama celica, oplojeno jajčece, ustvari kompleksno večcelično odraslo osebo, sestavljeno iz milijonov celic. Poskušam ugotoviti, kako so se prvič pojavile različne vrste celic v organizmih.

Med vprašanji, ki jih sprašujem, je: Kako vedo, kaj storiti? Katere gene uporabljajo za to? In ker je bilo prvo življenje na Zemlji enocelično, kako so se večcelični geni in vrste celic sploh razvili?

Kaj se je zgodilo z vašimi glasbenimi zanimanji, ko ste poskušali razumeti zarodne celice?

Na tej poti sem našel načine za ukvarjanje z znanostjo in glasbo. Ko sem delal v Madridu in kasneje, ko sem opravljal podoktorski študij na Cambridgeu v Veliki Britaniji, sem še vedno študiral glas. Še več, obiskoval sem avdicije in nastopal v predstavah ob vikendih.

Medtem ko sem delala na doktoratu in med podoktorjem, je bil moj učitelj govora v Švici. V Madridu je imel druge študente in vsakih šest tednov je prihajal v Španijo, da bi delal z nami. Včasih sem letel v Basel na lekcije. Njegove lekcije bi posnel in jih nato preučil.

Seveda so bili trenutki, ko sta bila ta dva interesa skregana. Po končanem doktoratu me je profesorica glasu nagovarjala, naj se polno posvetim petju. "Zdaj imaš 26 let," je rekel. »Čas je, da se resno posvetiš svojemu glasu. Zdaj ali nikoli."

Upošteval sem njegov argument. Imel pa sem veliko zanimanje za biologijo. Na koncu dneva sem moral najti način, da naredim oboje.

Na srečo sem imel tako kot podiplomski študent kot postdoktorand zelo visoke glavne raziskovalce, ki so mi dali veliko neodvisnosti. Dokler sem delo opravljal na pričakovani visoki ravni, sem si lahko sam sestavljal urnik.

To bi lahko pomenilo, da bi preživel nekaj dodatnih noči v laboratoriju, da bi vinske mušice spravljal v formo, ker ne bi mogel skrbeti zanje med turnejo s predstavo. Ali pa nositi muhe s seboj v torbi, da mi ni bilo treba prekiniti poskusa.

Postdoc ste opravili pri zoologu Michael Akam v Cambridgeu. V obdobju, ko prevladuje biokemija, se lahko preučevanje celih živali včasih zdi kot vrnitev v drugo stoletje. Zakaj ste ga izbrali?

Ker sem želel ugotovitve v svoji disertaciji popeljati na naslednji korak. Disertacija je preučevala, kako se obnašajo zarodne celice pri eni živali. V Cambridgeu sem vprašal, kako so se zarodne celice obnašale pri vseh živalih in kako so se razvile. Da bi to naredil, sem v laboratoriju preučeval morske ježke, rake in morske vetrnice. Potem sem prebral zgodovinsko literaturo, skoraj vse, kar je bilo objavljeno o zarodnih celicah na stotine različnih vrst.

V svoji karieri sem poskušal graditi na prejšnjih ugotovitvah, kar včasih pomeni, da grem izven prvotne discipline ali razširjam njene definicije. Trenutno v mojem laboratoriju poskušamo razumeti razvoj razvoja z upoštevanjem več kot genov.

V naš študij vključujemo ekologijo in okolje. Namesto da bi vinske mušice preučevali samo ločeno, gledamo mikrobe, ki živijo v muhah, in rastline, s katerimi se muhe hranijo. S tem delom upamo, da bomo razumeli, kako se lahko razvojni procesi razvijajo v okoljih resničnega življenja.

Kaj bi rekli, da so najpomembnejše ugotovitve, ki prihajajo iz vašega harvardskega laboratorija?

Prvič, pokazati, da signalizacija med celicami ni neobičajen način za živali ustvarjajo zarodne celice — to je celice, ki bodo postale jajčeca in semenčice. Ideja, ki je večino 20. stoletja prevladovala v učbenikih, je bila, da je pri žuželkah in večini drugih živali »zarodna plazma« v jajčecu vzpostavila ločeno linijo zarodnih celic zelo zgodaj v razvoju. Vendar smo pokazali, da se pri čričkih telesne celice spremenijo v zarodne celice s signali iz okoliških tkiv. To se dogaja tudi pri miših in drugih sesalcih, vendar so mislili, da gre za nov mehanizem, ki se je v evoluciji redko pojavil.

Drugič, odkritje leta 2020, da so dolgo izgubljeni sorodniki obtožen, gen, ki je zelo znan po svoji bistveni vlogi pri razmnoževanju žuželk, so bili pravzaprav od bakterij, ne samo od prejšnjih živali. Ta gen se je razvil s fuzijo zaporedij bakterijskega genoma z zaporedji živalskega genoma. Nakazuje, da predhodniki do obtožen je imela zelo različne funkcije, verjetno v razvoju živčnega sistema, in da bi bila nadaljnja študija o tem, kako se je razvila v svoj novi namen, lahko zelo informativna.

Tretjič, ponarejanje stoletnih »zakonov«, ki so napovedovali oblike bioloških struktur. Jajca žuželk se izjemno razlikujejo, po velikosti za osem velikosti in zelo različnih oblik. Prejšnje predpostavke so bile, da bi nekakšen univerzalni "zakon", ki velja za vse živali, lahko pojasnil razvoj oblik in velikosti celic ter struktur iz celic. V primeru jajčec je bilo pred tem veliko hipotez o tem, kakšni so bili ti zakoni, vključno na primer s tem, da dimenzije jajc odražajo zahteve glede stopnje razvoja ali velikosti telesa odrasle osebe za vsako vrsto.

Toda izdelali smo neprimerljiv niz podatkov z več kot 10,000 meritvami jajčec žuželk in ugotovili, da tisto, kar je resnično najbolje napovedalo velikost in obliko jajca, je bilo, kje bo odloženo. Jajca odložena na tla ali pod listjeso v bistvu eliptični. Jajca, odložena v vodo, so ponavadi manjša in bolj sferična. Parazitoidna jajca, odložena v druge žuželke, so prav tako majhna, a asimetrična.

Kako to, da ste svoje delo preselili iz Cambridgea na Harvard?

Leta 2003 me je Harvard povabil, da vodim seminar. Kasneje so ljudje rekli: »Ali veste, da je odprto mesto docenta za evolucijsko razvojno biologijo? Moral bi se prijaviti."

V Cambridgeu sem bil popolnoma srečen. Pravkar sem dobil štiri leta financiranja za raziskave. Odkrito povedano, nisem si mislil, da bom dobil službo, ker sem imel precej jasno predstavo o tem, kaj Harvard išče, in ni bil videti kot jaz. Bil sem presenečen, ko sem prejel ponudbo.

V nekaj letih ste osvojili mandat. Pravzaprav ste postali prva temnopolta ženska, ki je bila zaposlena v bioloških znanostih na Fakulteti za umetnost in znanost Harvarda. Se je to zdelo dobro - ali kot breme?

Oboje. Poslušajte, to ni bilo prvič v mojem življenju, da sem bil "prvi." Biti edina temnopolta ženska v popolnoma belem okolju je v bistvu zgodba mojega poklicnega življenja. Moje izbrano področje dela je pretežno bela. Pogosto, ko počnem karkoli profesionalno, sem prva temnopolta ženska, ki je to naredila. To ni odraz name. To je odraz na terenu.

Ste na Harvardu doživeli kakšno pristranskost?

Nisem doživel velike količine namerne blokade ali ciljne diskriminacije. Toda stvari se pogosto zgodijo. Prišel bom na vrata po nekaj in rekel mi je, naj uporabim službeni vhod. »Oh, tukaj sem zaradi večerje korporacije [Harvard],« pojasnim. "O ja, službeni vhod je zadaj."

Ali pa sem osrednji govornik na konferenci. Šel bom do recepcije in slišal: "Ali nekoga čakaš?"

To je tako konstantno. Če rečemo, da bi se morali odzvati kot »to je voda z račjega hrbta«, pomeni, da za seboj ni ostankov. Obstaja ogromno kopičenja brazgotin. Ne morem uporabiti svojega možganskega prostora, da bi držal vsakega od teh, ker potrebujem svoj možganski prostor za druge stvari.

Dobro je znano, da razmeroma malo temnopoltih Američanov študira za višje diplome v disciplinah STEM. So 14 % prebivalstva in vendar le 7 % doktorskih študentov znanosti in tehnike. Glede na to, čemur ste bili priča, zakaj je prišlo do takšne razlike?

Eden od razlogov je ta, da eksperimentalne in teoretične znanosti večinoma temeljijo na modelu vajeništva ali vratarja. Človek dobi dostop do kariere prek mentorja ali svetovalca. Trenerji izbirajo tečajnike, s katerimi se identificirajo. Če so vratarji določene skupine, to skupino ohranjajo.

Ali lahko izkoristite svoj položaj za podporo manjšinskim študentom, ki jih zanima znanstvena kariera?

Po svojih najboljših močeh se jim pokažem. Prednost dajem pogovorom z manjšinskimi študenti, ko to potrebujejo. Pri manjšinskih študentih je pomembno zagotoviti pozitivno prisotnost in pripravljen posluh.

Kljub temu se prikažem vsem svojim študentom. Za študente v večini sem pogosto prvi temnopolti profesor, ki so ga imeli. Pomembno je, da me poznajo.

O drugem delu vašega življenja — glasbi. Ali vaša glasba sploh hrani vašo znanost?

Ne bi rekel tega - čeprav si, ko pojem, moji možgani in telo oddahnejo od znanosti.

In obratno. Obe dejavnosti sta izjemno zahtevni in različno prevzeti. Spreminjanje dejavnosti daje delu mene priložnost, da se spočijem in napolnim z gorivom ter razmišljam o stvareh v podzavesti, medtem ko se ukvarjam z nečim drugim. Podzavestne stvari se lahko vrnejo na površje, ko se vrnem.

Kjer je morda nekaj prekrivanja, je v resnici, da sta oba kreativna podjetja za reševanje problemov. V umetnosti imate kaj sporočiti. Vi izberete medij. Poskušaš izpopolniti svoj izraz tega in greš ven in to narediš. V znanosti zberete svoje vire, odgovorite na vprašanje in ga posredujete svetu. V tem smislu sta si nekoliko podobna.

Decembra ste nastopili v Lincoln Centru v New Yorku kot del ansambla, ki je predstavil Händlove Messiah. Kako se pripravljate na tak nastop?

Če sem iskren s tabo, si predstavljam uspeh. Medtem ko v zaodrju čakamo na vstop, v mislih vidim konec predstave in aplavz. Predstavljam si stoječe ovacije in vidim ljudi v prvi vrsti z izrazi navdušenja na obrazih. Predstavljam si sebe med nastopom: počutim se svobodno, čutim se napolnjeno z glasbo, čutim, da je moje telo posoda za komunikacijo glasbe.

Vam je kdaj žal, da se, ko ste imeli priložnost, niste preselili v Švico in se redno ukvarjali z glasbo?

Ne. Znanost je bila izbira, ki me je pripeljala do neverjetne in vznemirljive kariere: večino svojega časa porabim za razumevanje izvora večceličnega življenja in zarodnih celic, in pravzaprav je to moje plačano delo! To želim izbrati še naprej. Je super zanimivo in zabavno.