Natuurkundige Nigel Goldenfeld heeft een hekel aan biologie: "Althans niet in de vorm waarin ik het op school heb geleerd", zegt hij. 'Het was als een opeenstapeling van feiten. Er was praktisch geen nauwkeurige kwantitatieve analyse. " Deze houding zou iedereen kunnen verbazen die naar de vele projecten kijkt waar Goldenfeld's lab aan werkt.
Hij en zijn collega's volgen het collectieve en individuele gedrag van honingbijen, analyseren biofilms, zien genen springen, beoordelen de diversiteit van het leven in ecosystemen en onderzoeken de relatie tussen microbiomen.
Goldenfeld is het hoofd van NASA's Astrobiology Institute for General Biology, maar hij brengt het grootste deel van zijn tijd niet door op de afdeling natuurkunde van de Universiteit van Illinois, maar in zijn biologische laboratorium op de campus in Urbana-Champaign.
Nigel Goldenfeld is niet de enige natuurkundige die problemen in de biologie probeert op te lossen. In de jaren dertig veranderde Max Delbrück het concept van virussen. Later publiceerde Erwin Schrödinger What is Life? Het fysieke aspect van een levende cel”. Francis Crick, een pionier op het gebied van röntgenkristallografie, hielp bij het ontdekken van de structuur van DNA.
Goldenfeld wil profiteren van zijn kennis van de theorie van de gecondenseerde materie. Bij het bestuderen van deze theorie simuleert hij de ontwikkeling van een monster in een dynamisch fysisch systeem om verschillende verschijnselen (turbulentie, faseovergangen, kenmerken van geologische gesteenten, de financiële markt) beter te begrijpen.
Een interesse in de opkomende toestand van materie leidde natuurkundigen naar een van de grootste mysteries van de biologie: de oorsprong van het leven zelf. Vanuit deze taak ontwikkelde zich de huidige tak van zijn onderzoek.
"Natuurkundigen kunnen vragen anders stellen", is Goldenfeld ervan overtuigd. “Mijn motivatie is altijd geweest om in de biologie te zoeken naar gebieden waar een dergelijke benadering zinvol zou zijn. Maar om te slagen, moet je met biologen samenwerken en er in feite zelf een worden. Fysica en biologie zijn evenzeer nodig."
Quanta sprak met Goldenfeld over collectieve fenomenen in de natuurkunde en de uitbreiding van de synthetische evolutietheorie. Ze bespraken ook het gebruik van kwantitatieve en theoretische hulpmiddelen uit de natuurkunde om de sluier van mysterie rond het vroege leven op aarde en de interacties tussen cyanobacteriën en roofvirussen op te heffen. Het volgende is een samenvatting van dit gesprek.
Promotie video:
De natuurkunde heeft een conceptuele basisstructuur, de biologie niet. Probeer je een algemene biologietheorie te ontwikkelen?
'God, natuurlijk niet. Er is geen enkele theorie in de biologie. Evolutie komt het dichtst in de buurt. Biologie zelf is het resultaat van evolutie; het leven in al zijn verscheidenheid en zonder uitzondering heeft zich ontwikkeld als resultaat van evolutie. Het is nodig om evolutie echt als een proces te begrijpen om biologie te begrijpen.
Hoe kunnen collectieve effecten uit de fysica ons begrip van evolutie aanvullen?
Als je aan evolutie denkt, denk je meestal aan populatiegenetica, aan de herhaling van genen in een populatie. Maar als je kijkt naar de Laatste Universele Gemeenschappelijke Voorouder (het voorouderorganisme van alle andere organismen, die we kunnen traceren via fylogenetica), zul je begrijpen dat dit niet het allereerste begin is van de oorsprong van het leven.
Daarvoor was er beslist een nog eenvoudiger levensvorm - een vorm die zelfs geen genen bezat toen er nog geen soort was. We weten dat evolutie een veel breder fenomeen is dan populatiegenetica.
De laatste universele gemeenschappelijke voorouder leefde 3,8 miljard jaar geleden. Planeet aarde is 4,6 miljard jaar oud. Het leven zelf is in minder dan een miljard jaar van het begin tot de complexiteit van de moderne cel gereisd. Waarschijnlijk nog sneller: sindsdien hebben er relatief weinig ontwikkelingen plaatsgevonden in de evolutie van de cellulaire structuur. Het blijkt dat de evolutie de afgelopen 3,5 miljard jaar traag is geweest, maar in het begin erg snel. Waarom heeft het leven zich zo snel ontwikkeld?
Karl Woese (biofysicus, overleden 2012) en ik geloofden dat de ontwikkeling aanvankelijk anders verliep. In onze tijd evolueert het leven door "verticale" overerving: je geeft je genen door aan je kinderen, zij op hun beurt aan hun kinderen, enzovoort. De "horizontale" overdracht van genen vindt plaats tussen organismen die niet met elkaar zijn verbonden.
Dit gebeurt nu bij bacteriën en andere organismen met genen die niet erg belangrijk zijn in de celstructuur. Bijvoorbeeld genen die resistentie geven tegen antibiotica - dankzij hen krijgen bacteriën zo snel bescherming tegen medicijnen. In de vroege levensfasen werd zelfs het basismechanisme van de cel echter horizontaal overgedragen.
Vroeger was het leven een geaggregeerde staat en was het meer een gemeenschap die nauw verweven was door genuitwisseling dan alleen een verzameling individuele vormen. Er zijn veel andere voorbeelden van collectieve toestanden, zoals een kolonie bijen of een zwerm vogels, waar het collectief zijn eigen persoonlijkheid en gedrag lijkt te hebben, voortkomend uit de elementen en manieren waarop ze met elkaar omgaan. Het vroege leven werd gecommuniceerd via genoverdracht.
Hoe weet je dat?
“We kunnen zo'n snelle en optimale ontwikkeling van het leven alleen verklaren als we het effect van dit“vroege netwerk”toelaten en niet de [stamboom]. Ongeveer 10 jaar geleden ontdekten we dat deze theorie van toepassing is op de genetische code, op de regels die de cel vertellen welke aminozuren ze moeten gebruiken om eiwitten te maken. Elk organisme op de planeet heeft dezelfde genetische code met minimale verschillen.
In de jaren zestig was Karl de eerste die op het idee kwam dat de genetische code die we bezitten zo goed mogelijk is om fouten te minimaliseren. Zelfs als u het verkeerde aminozuur krijgt als gevolg van een mutatie of een fout in het cellulaire transportmechanisme, zal de genetische code het aminozuur aangeven dat u zou moeten krijgen. Je hebt dus nog steeds een kans dat het eiwit dat je aanmaakt functioneert en dat je lichaam niet doodgaat.
David Haig (Harvard) en Lawrence Hirst (Universiteit van Bath) waren de eersten die aantoonden dat dit idee kwalitatief kan worden geëvalueerd met behulp van de Monte Carlo-methode: ze probeerden uit te vinden wiens genetische code het meest resistent is tegen dit soort fouten. En wijzelf werden het antwoord. Dit is echt een verrassende ontdekking, maar niet zo wijdverbreid als het zou moeten zijn.
Later voerden Karl en ik, samen met Kalin Vestigian (Universiteit van Wisconsin in Madison), virtuele simulaties uit van groepen organismen met veel kunstmatige, hypothetische genetische codes. We creëerden computervirusmodellen die levende systemen nabootsten: ze hadden een genoom, brachten eiwitten tot expressie, ze konden zichzelf repliceren, overleven de selectie en hun aanpassingsvermogen was een functie van hun eigen eiwitten.
We ontdekten dat niet alleen hun genomen evolueerden. Hun genetische jaar evolueerde ook. Als het gaat om verticale evolutie (tussen generaties), wordt de genetische code nooit uniek of optimaal. Maar als het gaat om het 'collectieve netwerk'-effect, dan evolueert de genetische code snel naar de unieke optimale staat die we vandaag waarnemen.
Deze bevindingen en vragen over hoe het leven deze genetische codes zo snel had kunnen verwerven, suggereren dat we bijvoorbeeld eerder tekenen van horizontale genoverdracht zouden moeten zien dan in de Last Universal Common Ancestor. En we zien ze: sommige van de enzymen die worden geassocieerd met het belangrijkste mechanisme van celvertaling en genexpressie, tonen sterk bewijs voor vroege horizontale genoverdracht.
Hoe kunt u op deze conclusies vertrouwen?
- Tommaso Biancalani en ik (nu bij MIT) hebben ongeveer een jaar geleden een onderzoek uitgevoerd - ons artikel is over hem gepubliceerd - dat het leven automatisch horizontale genoverdracht uitschakelt zodra het ingewikkeld genoeg werd. Wanneer we dit proces simuleren, wordt het in feite vanzelf afgesloten. Er worden pogingen gedaan om horizontale genoverdracht uit te voeren, maar bijna niets schiet wortel. Het enige dominante evolutionaire mechanisme is dan de verticale evolutie, die altijd aanwezig is geweest. We proberen nu experimenten te doen om te zien of de kernel de overgang van horizontale naar verticale transmissie volledig heeft gemaakt.
Is het vanwege deze benadering van vroege evolutie dat u zei dat we anders over biologie zouden moeten spreken?
Mensen hebben de neiging om evolutie te beschouwen als synoniem met populatiegenetica. Ik denk dat dit in principe correct is. Maar niet echt. Evolutie vond plaats zelfs voordat genen bestonden, en dit kan niet worden verklaard door statistische modellen van populatiegenetica. Er zijn collectieve manieren van evolutie die ook serieus genomen moeten worden (bijvoorbeeld processen als horizontale genoverdracht).
In die zin is ons begrip van evolutie als proces te beperkt. We moeten nadenken over dynamische systemen en hoe het mogelijk is dat systemen die zich kunnen ontwikkelen en reproduceren überhaupt kunnen bestaan. Als je aan de fysieke wereld denkt, is het niet duidelijk waarom je gewoon niet meer dode dingen doet.
Waarom heeft de planeet het vermogen om leven te ondersteunen? Waarom bestaat het leven eigenlijk? De dynamiek van evolutie zou dit probleem moeten kunnen oplossen. Het is opmerkelijk dat we niet eens een idee hebben hoe we dit probleem kunnen oplossen. En aangezien het leven begon als iets fysieks, niet als iets biologisch, geeft hij blijk van een fysieke interesse.
Hoe past uw werk aan cyanobacteriën in de toepassing van de theorie van gecondenseerde materie?
- Mijn afgestudeerde student Hong-Yang Shi en ik hebben een ecosysteem gemodelleerd van een organisme genaamd Prochlorococcus, een cyanobacterie die in de oceaan leeft en fotosynthese gebruikt. Ik denk dat dit organisme het meest voorkomende cellulaire organisme op aarde is.
Er zijn virussen, ‘fagen’ die op bacteriën jagen. Tien jaar geleden ontdekten wetenschappers dat deze fagen ook genen hebben voor fotosynthese. Meestal beschouw je een virus niet als iemand die fotosynthese nodig heeft. Waarom dragen ze dan deze genen?
“Het lijkt erop dat bacteriën en fagen zich niet precies gedragen als een predator-prooimodel. Bacteriën hebben voordelen voor fagen. Bacteriën kunnen zelfs op verschillende manieren voorkomen dat fagen ze aanvallen, maar dat doen ze niet, althans niet helemaal. Faag-fotosynthetische genen kwamen oorspronkelijk uit bacteriën - en, verrassend genoeg, brachten de fagen ze vervolgens terug naar de bacteriën. In de afgelopen 150 miljoen jaar zijn de genen voor fotosynthese verschillende keren tussen bacteriën en fagen verschoven.
Het blijkt dat genen zich veel sneller ontwikkelen in virussen dan in bacteriën, omdat het replicatieproces voor virussen veel korter is en de kans op fouten groter is (replicatie is het proces waarbij een dochtermolecuul van deoxyribonucleïnezuur wordt gesynthetiseerd op de mal van het ouder-DNA-molecuul - niet meer).
Als bijwerking van faagjacht op bacteriën worden bacteriële genen soms overgedragen in virussen, waar ze zich kunnen verspreiden, zich snel kunnen ontwikkelen en vervolgens kunnen terugkeren naar bacteriën, die er vervolgens baat bij hebben. Daarom waren fagen gunstig voor bacteriën. Er zijn bijvoorbeeld twee soorten Prochlorococcus die op verschillende diepten leven. Een van deze ecotypes is aangepast om dichter bij het oppervlak te leven, waar het licht veel intenser is en het verschil in frequenties groter is. Deze aanpassing kan te wijten zijn aan het feit dat virussen zich snel hebben ontwikkeld.
Virussen hebben ook baat bij genen. Wanneer een virus een gastheer infecteert en zichzelf repliceert, hangt het aantal nieuwe virussen af van hoe lang de gevangen cel kan overleven. Als het virus het levensondersteunende systeem (genen voor fotosynthese) draagt, kan het de cel langer vasthouden om meer kopieën van het virus te maken.
Een virus dat genen voor fotosynthese draagt, heeft een concurrentievoordeel ten opzichte van een virus dat dat niet doet. Er is kweekdruk op virussen om genen over te dragen die de gastheer ten goede komen. Je zou verwachten dat omdat virussen zo snel muteren, hun genen snel zullen "degraderen". Maar als resultaat van berekeningen ontdekten we dat bacteriën "goede" genen filteren en deze overbrengen naar virussen.
Daarom is dit een schattig verhaal: de interactie van deze bacteriën en virussen lijkt op het gedrag van een stof in een gecondenseerde toestand - dit systeem kan worden gemodelleerd om de eigenschappen ervan te voorspellen.
We hadden het over een fysieke benadering van biologie. Heb je het tegenovergestelde gezien toen de biologie de natuurkunde inspireerde?
- Ja. Ik werk aan turbulentie. Als ik thuiskom, is zij het die me 's nachts wakker houdt. In een artikel dat vorig jaar in Nature Physics werd gepubliceerd, wilden Hong-Yan Shin, Tsung-Ling Sheng en ik in detail uitleggen hoe een vloeistof in een buis van een plastische toestand, waar het soepel en voorspelbaar stroomt, naar een staat van turbulentie gaat, waar zijn gedrag onvoorspelbaar is. en fout.
We ontdekten dat turbulentie zich vóór de overgang gedraagt als een ecosysteem. Er is een speciaal dynamisch regime van vloeistofstroom, vergelijkbaar met een roofdier: het probeert turbulentie te "eten", en de interactie tussen dit regime en de resulterende turbulentie leidt tot enkele van de verschijnselen die je ziet wanneer de vloeistof turbulent wordt.
Uiteindelijk gaat ons werk ervan uit dat er een bepaald type faseovergang optreedt in vloeistoffen, en dit is wat experimenten bevestigen. Omdat het probleem van de fysica geschikt bleek om dit biologische probleem op te lossen - over de relatie tussen roofdier en prooi - wisten Hong-Yan en ik een systeem te imiteren en te simuleren en te reproduceren wat mensen zien in experimenten. Het kennen van biologie heeft ons echt geholpen de natuurkunde te begrijpen.
Zijn er beperkingen voor de fysieke benadering van biologie?
- Het gevaar bestaat dat u alleen herhaalt wat bekend is, dus u kunt geen nieuwe voorspellingen doen. Maar soms wordt je abstractie of minimale representatie vereenvoudigd en verlies je iets in het proces.
Je kunt niet te theoretisch denken. Je moet je handen uit de mouwen steken om biologie te studeren, nauw verbonden zijn met echte experimentele fenomenen en echte gegevens.
Daarom werken we samen met onderzoekers: samen met collega's heb ik microben verzameld uit de warmwaterbronnen van Yellowstone National Park, de 'springende' genen in levende cellen in realtime bekeken, gesequenced (sequencing - bepalen van de aminozuur- of nucleotidesequentie - ca. - intestinaal microbioom van gewervelde dieren. Elke dag werk ik bij het Institute of Genomic Biology, hoewel natuurkunde mijn "geboorteland" is.
Jordana Cepelewicz
De vertaling is uitgevoerd door het project Nieuw