Багатоталановитий вчений шукає витоки багатоклітинності | Журнал Quanta

In Кассандра ЕкставорВ офісі Гарвардського університету висить плакат із намальованим райдужним прапором і дружнім запрошенням.

«Ласкаво просимо сюди», — написано там.

«Я маю це, тому що я вважаю, що важливо дозволити людям бачити вашу ідентичність, особливо коли ця ідентичність не представлена ​​належним чином», — пояснила Екставур, еволюційний генетик, яка у 2014 році стала першою темношкірою жінкою, яка отримала посаду на факультеті біологічних наук у Гарварді. Факультет мистецтв і наук.

Сама Екставур має кілька ідентичностей, як професійних, так і особистих, достатньо, щоб вважатися справжньою жінкою епохи Відродження. Вона є дослідником Медичного інституту Говарда Хьюза, а також сопрано з класичною освітою, яка виступає з Бостонським оркестром пам’яток і Товариством Генделя і Гайдна.

Окрім викладання та співу, Екставур досліджує біохімію та генетику найдавнішого життя на землі. Вона хоче знати, як перші клітини розвинулися і зрештою еволюціонували в багатоклітинні організми. Які клітинні механізми зробив можливим складне життя? — запитує вона. Точніше, який особливий вплив можуть мати статеві клітини — які створюють яйцеклітини або сперму, передаючи генетичну інформацію від батьків нащадкам — на розвиток багатоклітинного життя?

Її лабораторна робота, яка поєднує експерименти та передову математику, здобула широку популярність серед еволюційних біологів.

У її 2000 році докторська дисертація, Extavour показав, що статеві клітини конкурують за можливість донести свою інформацію до наступного покоління. в її лабораторія в Гарвардівона показала, що бактерії зіграли певну роль у створенні генів, які були важливими для створення ліній зародкових клітин у більшому, складнішому житті. Нещодавно, вивчаючи яйця комах, Екставур та її команда спростували широко поширене припущення про те, що зумовлює велике розмаїття форм клітин.

«Мені дуже цікаво про походження багатоклітинного життя на Землі», — пояснила Екставур в нещодавньому інтерв’ю Zoom зі свого офісу в Кембриджі. «Я знаю, що ніколи цього не побачу. Але я багато про це думаю».

Quanta розмовляв з нею в трьох окремих інтерв’ю пізньої осені. Інтерв’ю було скорочено та відредаговано для ясності.

Оскільки ваше дослідження зосереджено на початку, почнемо з вашого. Де ти виріс?

Торонто, у тодішньому робітничому районі під назвою «Анекс». Він був майже повністю зайнятий сім'ями іммігрантів з усього світу.

Ви були одним із тих дітей, які завжди знали, що хочуть вирости і стати вченим?

Ні. Я уявляв, що буду музикантом. Або, можливо, танцівниця. Я грав на металевих барабанах з 4 років. Я вмів читати ноти в дуже ранньому віці. Я займався духовими інструментами в початковій школі. Пізніше я вивчав голос.

Просто в дитинстві було багато музики. Мій батько, іммігрант із Тринідаду, утримував сім’ю як технік у CBC, канадській телерадіомовній компанії. Але він також був професійним музикантом. Регулярно проводив концерти. Я виступала з ним.

У сім’ї було відчуття, що ми з моїми братами і сестрами можемо робити все, що задумаємо — чи то освоїти новий інструмент, чи то вступити до найкращої середньої школи міста. Якщо я виявляв інтерес до чогось, відповідь була: «Піди в бібліотеку, дізнайся все про це і склади план».

Ваша сім'я звучить чудово.

Сімейна історія полягала в тому, що ми були людьми скромного походження, але талановитими, сильними та неймовірно творчими.

Безперечно, нас виховували з думкою, що ми різні, особливі, але інші могли цього не визнати. Батьки вчили нас: «Світ не завжди цінуватиме вас такими, якими ви є. Не дозволяйте цьому заважати вам жити якнайкраще».

Чи важко було рости в міжрасовій родині в Канаді 1970-х років?

З дитинства я розумів, що багатьом людям не подобається те, що мій тато був темношкірим, а мама білою. Родина моєї матері не була в захваті від того, що вона вийшла заміж за темношкірого чоловіка і народила чотирьох чорношкірих дітей. Їм знадобився час, щоб це прийняти.

Оглядаючись назад, я зрозумів, що зовнішність нашої сім’ї дала мені багато корисних інструментів. Наприклад, я змалку знав, що зовнішній світ може ставитися до мене вороже, і тому я не міг розраховувати на точний зворотний зв’язок. Я отримав багато ранньої практики у тому, щоб самостійно вирішувати, добре чи погано — чи цікаво щось. Це величезна перевага, коли ви плануєте експерименти.

З огляду на ваш ранній інтерес до виступу, як інтерес до генетики з’явився у вашому житті?

Абсолютно випадково. На першому курсі коледжу в Університеті Торонто я опинився в ситуації, коли мені потрібно було швидко вибрати спеціальність. Я тоді співав хором і запитав у сусідки, яка сиділа поруч, що у неї. — Генетика, — сказала вона. Це було абсолютно випадкове рішення.

Але щасливчик?

Так. Тому що спеціальності генетики були обов’язкові для здачі біохімії. Раніше я ходив на уроки біології, але виявив, що вони — принаймні так, як їх навчали — являють собою непов’язаний список речей, які потрібно запам’ятати.

З іншого боку, біохімія була захоплюючою логічною головоломкою. Були всі ці різні частини — білки, мітохондрії, гени — і всі вони працювали разом, щоб створити клітину, яка могла б щось робити. Гра полягала в тому, щоб з’ясувати, як частини працюють разом. Я знайшов це абсолютно привабливим.

Зараз я не виріс в академічному середовищі. Я нічого не знав ні про наукову кар’єру, ні про те, що робота, яку я маю сьогодні, взагалі існує.

Але я розпитав у школі, і один зі старших учнів сказав мені: «Якщо ти хочеш серйозно займатися генетикою, тобі потрібно буде вступити до аспірантури та отримати докторський ступінь».

Ви вирішили здобути аспірантуру в Європі. Чому там?

Я вибрав Мадридський автономний університет, тому що хотів вільно володіти іспанською мовою та вчитися Антоніо Гарсіа-Беллідо, один із видатних генетиків розвитку 20 століття. Коли я читав його статті, здавалося, що він думав про розвиток так, як ніхто інший.

Розмірковуючи про це рішення пізніше, заднім числом це здавалося мудрим вибором з іншої причини. Якби я робив свою дипломну роботу в Сполучених Штатах, до чого мене заохочували, це зробило б аспірантуру складнішою, ніж це було. У США ви відчуваєте постійний натиск расового поділу.

Докторська дисертація, яку ви підготували під керівництвом Гарсіа-Беллідо, про селекцію зародкової лінії плодової мушки, мали величезний вплив на генетику розвитку. Чому це був такий блокбастер?

Тому що я надав прямі експериментальні докази того, що давно висунуто, але раніше не показано. А саме те, що подібно до того, як цілі тварини можуть піддаватися природному відбору, де придатні виживають краще, ніж менш придатні, окремі статеві клітини тварини, що розвивається, можуть робити те саме.

Статеві клітини захоплюють тим, що вони є особливою новинкою багатоклітинних організмів. Майже кожна велика успішна багатоклітинна форма життя розмножується за допомогою статевих клітин. Через них гени передаються від одного покоління до іншого. Саме вони забезпечують здатність клітин злипатися або утворювати великий багатоклітинний конгломерат, як банан чи людина.

Отже, ви довели, що статеві клітини плодових мушок конкурували. Але яким чином? Яким був характер їхнього змагання?

Через мутації, які спонтанно виникають у тканинах, різні статеві клітини в організмі можуть мати дещо різні гени. Ці мутації можуть впливати на те, наскільки добре статеві клітини ростуть і виробляють успішні яйцеклітини або сперматозоїди, що ставить їх у конкуренцію з природним відбором. Але виявилося, що багато з тих самих генів також впливають на процеси розвитку в інших частинах тіла. Таким чином, цей процес відбору серед статевих клітин може мати значний вплив на здоров’я та фізичну форму потомства протягом усього його життя.

Ваша дисертація мала серйозні наслідки для еволюційної біології, чи не так?

Це сталося. Розуміння того, як ви розвиваєте генетичну програму для створення цієї крихітної підгрупи репродуктивних клітин, дуже важливо.

Значна частина моєї подальшої кар’єри була пов’язана з бажанням зрозуміти, як одна клітина, запліднена яйцеклітина, створює складну багатоклітинну дорослу людину, що складається з мільйонів клітин. Я намагаюся з’ясувати, як у організмах виникли різні типи клітин.

Серед запитань, які я ставлю, є: звідки вони знають, що робити? Які гени вони використовують для цього? І оскільки перше життя на Землі було одноклітинним, як взагалі еволюціонували багатоклітинні гени та типи клітин?

Що сталося з вашими музичними інтересами, коли ви намагалися зрозуміти статеві клітини?

По дорозі я знаходив способи займатися і наукою, і музикою. Під час роботи в Мадриді та пізніше, коли я проходила постдокторацію в Кембриджі у Великій Британії, я все ще вивчала голос. Крім того, я відвідувала прослуховування і виступала в шоу на вихідних.

Поки я працював над докторською дисертацією та під час постдокторації, мій викладач голосу був у Швейцарії. У нього були інші студенти в Мадриді, і він приїздив до Іспанії приблизно кожні шість тижнів, щоб працювати з нами. Іноді я літав до Базеля на уроки. Я записував його уроки і вивчав їх потім.

Звичайно, були моменти, коли ці два інтереси розходилися. Після того, як я закінчила докторську дисертацію, мій викладач вокалу закликав мене повністю присвятити себе співу. «Тобі зараз 26», — сказав він. «Настав час серйозно поставитися до свого голосу. Зараз або ніколи."

Я врахував його аргумент. Але у мене був великий інтерес до біології. Зрештою, мені довелося знайти спосіб зробити і те, і інше.

На щастя, як аспірант, так і постдокторант, у мене були старші головні дослідники, які надали мені багато незалежності. Поки я виконував роботу на очікуваному високому рівні, я міг складати власний графік.

Це може означати провести кілька додаткових ночей у лабораторії, щоб привести плодових мушок у форму, тому що я не зможу доглядати за ними під час гастролей із шоу. Або носити мух із собою в сумці, щоб мені не довелося зупиняти експеримент.

Ви проходили постдокторацію у зоолога Майкл Акам в Кембриджі. В епоху, коли домінує біохімія, вивчення цілих тварин іноді може здаватися поверненням до іншого століття. Чому ви вибрали це?

Тому що я хотів перенести результати своєї дисертації на наступний крок. Дисертація досліджувала, як поводяться статеві клітини в одній тварині. У Кембриджі я запитав, як статеві клітини поводяться в усіх тварин і як вони еволюціонували. Для цього я досліджував у лабораторії морських їжаків, ракоподібних і актинії. Потім я прочитав історичну літературу, майже все, що опубліковано про зародкові клітини сотень різних видів.

Протягом усієї своєї кар’єри я намагався спиратися на попередні висновки, а це іноді означає вихід за межі оригінальної дисципліни або розширення її визначень. Прямо зараз у моїй лабораторії ми намагаємося зрозуміти еволюцію розвитку, беручи до уваги не тільки гени.

Ми включаємо екологію та навколишнє середовище в наші дослідження. Замість того, щоб просто вивчати плодових мушок ізольовано, ми розглядаємо мікроби, які живуть всередині мух, і рослини, якими мухи харчуються. Завдяки цій роботі ми сподіваємося зрозуміти, як процеси розвитку можуть розвиватися в реальному середовищі.

Що б ви назвали найважливішими відкриттями вашої Гарвардської лабораторії?

По-перше, показуючи, що передача сигналів між клітинами не є незвичайним способом для тварин утворюють ембріональні статеві клітини — тобто клітини, які стануть яйцеклітинами та сперматозоїдами. Ідея, яка домінувала в підручниках протягом більшої частини 20-го століття, полягала в тому, що у комах та більшості інших тварин «зародкова плазма» в яйці встановила чітку лінію статевих клітин на дуже ранньому етапі розвитку. Але ми показали, що у цвіркунів клітини організму перетворюються на статеві клітини за допомогою сигналів від навколишніх тканин. Це те, що відбувається з мишами та іншими ссавцями, але вважалося, що це новий механізм, який рідко з’являвся в еволюції.

По-друге, у 2020 році виявивши, що давно втрачені родичі oskar, ген, дуже відомий своєю важливою роллю в розмноженні комах, насправді були від бактерій, а не лише від попередніх тварин. Цей ген розвинувся шляхом злиття послідовностей бактеріального генома з послідовностями генома тварин. Це свідчить про те, що попередники до oskar мав дуже різні функції, можливо, у розвитку нервової системи, і що подальше вивчення того, як воно еволюціонувало до свого нового призначення, може бути дуже інформативним.

По-третє, фальсифікація столітніх «законів», які передбачали форми біологічних структур. Яйця комах надзвичайно різноманітні, на вісім порядків за розміром і надзвичайно різноманітною формою. Попередні припущення полягали в тому, що якийсь універсальний «закон», який застосовувався до всіх тварин, міг пояснити еволюцію форм і розмірів клітин, а також клітинних структур. У випадку з яйцями існувало багато попередніх гіпотез про те, якими були ці закони, включаючи, наприклад, те, що розміри яєць відображають вимоги швидкості розвитку або розміру дорослого тіла для кожного виду.

Але ми створили незрівнянний набір даних із понад 10,000 XNUMX вимірювань яєць комах і виявили, що те, що насправді найкраще передбачило розмір і форму яйця, це те, де воно буде відкладено. Яйця відкладають на землю або під листяes в основному еліптичні. Яйця, відкладені у воду, як правило, менші та більш сферичні. Яйця паразитів, відкладені всередині інших комах, також невеликі, але асиметричні.

Як Ви перенесли свою роботу з Кембриджа в Гарвард?

У 2003 році Гарвард запросив мене провести семінар. Пізніше люди казали: «Чи знаєте ви, що є вакансія доцента з еволюційної біології розвитку?» Ви повинні подати заявку».

Я був абсолютно щасливий у Кембриджі. Я щойно отримав чотири роки фінансування на дослідження. Відверто кажучи, я не думав, що отримаю роботу, тому що мав досить чітке уявлення про те, що шукає Гарвард, і це не було схоже на мене. Я був здивований, отримавши пропозицію.

За кілька років ви виграли посаду. Фактично, ви стали першою темношкірою жінкою, яка працювала в галузі біологічних наук на Гарвардському факультеті мистецтв і наук. Це було добре чи як тягар?

Обидва. Слухай, я не вперше в житті був «першим». Бути єдиною темношкірою жінкою в середовищі, де повністю білі, — це, по суті, історія мого професійного життя. Сфера роботи, яку я обрав, переважно біла. Часто, коли я роблю щось професійно, я перша темношкіра жінка, яка це зробила. Це не відображення на мені. Це відображення на полі.

Чи відчували ви упередженість у Гарварді?

Я не відчував великої кількості навмисного блокування чи цілеспрямованої дискримінації. Але трапляються випадки часто. Я з’являюся біля дверей за чимось, і мені кажуть скористатися службовим входом. «О, я тут на вечерю [Гарвардської] корпорації», — пояснюю я. «О так, службовий вхід позаду».

Або я головний доповідач на конференції. Підійду до стійки реєстрації і почую: «Ти когось чекаєш?»

Це так постійно. Сказати, що ми маємо реагувати так, ніби «це вода з качиної спини», означає, що жодного залишку не залишилося. Існує величезне накопичення рубцевої тканини. Я не можу використовувати свій мозковий простір, щоб утримати кожен із них, тому що мені потрібен мозковий простір для інших речей.

Загальновідомо, що порівняно небагато темношкірих американців навчаються на вищий ступінь у галузі STEM. Вони складають 14% населення, але лише 7% докторантів у галузі науки та техніки. Судячи з того, що ви бачили, чому така невідповідність?

Однією з причин є те, що експериментальні та теоретичні науки, здебільшого, засновані на моделі учнівства або воротаря. Людина отримує доступ до кар'єри через наставника або радника. Тренери обирають слухачів, з якими себе ідентифікують. Якщо воротарі належать до певної групи, вони увічнюють цю групу.

Чи можете ви використовувати своє становище, щоб підтримати меншинних студентів, зацікавлених у науковій кар’єрі?

Я роблю все можливе, щоб показати їм. Я надаю пріоритет розмові з меншинними студентами, коли їм це потрібно. Для меншинних студентів важливо забезпечити позитивну присутність і охоче слухати.

Тим не менш, я приходжу до всіх своїх студентів. Для більшості студентів я часто перший чорношкірий професор, якого вони коли-небудь мали. Їм важливо знати мене.

Про іншу частину вашого життя — музику. Чи ваша музика живить вашу науку взагалі?

Я б так не сказав, хоча коли я співаю, мій мозок і тіло дійсно відпочивають від науки.

І навпаки. Обидва заняття є надзвичайно вимогливими та по-різному захоплюючими. Зміна видів діяльності дає можливість частині мене відпочити, зарядитися енергією та подумати про речі в підсвідомості, поки я займаюся чимось іншим. Підсвідомі речі можуть повернутися на поверхню, коли я повернуся.

Можливо, дещо збігається в тому, що вони обидва є творчими підприємствами, які вирішують проблеми. У мистецтві вам є про що повідомити. Ви обираєте засіб. Ви намагаєтеся вдосконалити своє вираження цього, виходите і робите це. У науці ви збираєте свої ресурси, відповідаєте на запитання та повідомляєте про це світу. У цьому вони дещо схожі.

Ви виступали в грудні в Лінкольн-центрі в Нью-Йорку в складі ансамблю, який представляв Генделя Месія. Як ви готуєтеся до такого виступу?

Чесно кажучи, я уявляю успіх. Поки ми чекаємо за лаштунками свого входу, я подумки бачу кінець шоу та оплески. Я уявляю собі овації та бачу людей у ​​перших рядах із задоволеними обличчями. Я уявляю себе під час виступу: почуваюся вільною, наповненою музикою, відчуваю, що моє тіло – це посудина для спілкування музики.

Ви коли-небудь шкодували про те, що, коли у вас була можливість, ви не переїхали до Швейцарії і не займалися музикою повний робочий день?

Ні. Наука була вибором, який привів мене до дивовижної та захоплюючої кар’єри: ​​я витрачаю більшу частину свого часу, намагаючись зрозуміти походження багатоклітинного життя та статевих клітин, і це насправді моя оплачувана робота! Я хочу й надалі вибирати це. Це супер цікаво і весело.