In Cassandra ExtavourOp het kantoor van Harvard University hangt een bordje met een geschilderde regenboogvlag en een vriendelijke uitnodiging.

‘Je bent hier welkom’, staat er.

“Ik doe dit omdat ik denk dat het belangrijk is om mensen je identiteit te laten zien, vooral als die identiteiten niet goed vertegenwoordigd zijn”, legt Extavour uit, een evolutionair geneticus die in 2014 de eerste zwarte vrouw werd die een ambtstermijn in de biologische wetenschappen kreeg aan de universiteit van Harvard. Faculteit der Letteren en Wetenschappen.

Extavour heeft zelf meerdere identiteiten, zowel professioneel als persoonlijk, genoeg om zich te kwalificeren als een echte Renaissance-vrouw. Ze is onderzoeker bij het Howard Hughes Medical Institute, maar ook een klassiek geschoolde sopraan die optreedt met het Boston Landmarks Orchestra en de Händel and Haydn Society.

Naast lesgeven en zingen doet Extavour onderzoek naar de biochemie en genetica van het vroegste leven op aarde. Ze wil weten hoe de eerste cellen zich ontwikkelden en uiteindelijk uitgroeiden tot meercellige organismen. Welke cellulaire mechanismen maakte een complex leven mogelijk? zij vraagt. Meer specifiek: welke speciale invloed kunnen kiemcellen – die eieren of sperma maken en genetische informatie van ouders op nakomelingen doorgeven – hebben gehad op de ontwikkeling van meercellig leven?

Haar laboratoriumwerk, waarin experimenten en geavanceerde wiskunde worden gecombineerd, heeft haar brede aandacht gekregen onder evolutiebiologen.

In haar 2000 doctoraal proefschriftExtavour liet zien dat geslachtscellen strijden om de kans om hun informatie naar de volgende generatie over te brengen. In haar laboratorium op Harvardheeft ze aangetoond dat bacteriën een rol speelden bij het creëren van de genen die belangrijk waren voor het tot stand brengen van kiemcellijnen in groter, complexer leven. Recentelijk hebben Extavour en haar team tijdens het bestuderen van de eieren van insecten een wijdverbreide veronderstelling over de oorzaak van de grote diversiteit in celvormen omvergeworpen.

“Ik ben erg nieuwsgierig naar de oorsprong van het meercellige leven op aarde”, legde Extavour uit in een recent Zoom-interview vanuit haar kantoor in Cambridge. 'Ik weet dat ik het nooit zal zien. Maar ik denk er veel over na.”

Quanta sprak met haar in drie afzonderlijke interviews in de late herfst. De interviews zijn voor de duidelijkheid ingekort en bewerkt.

Omdat uw onderzoek zich richt op het begin, laten we beginnen met het uwe. Waar ben je opgegroeid?

Toronto, in wat toen een arbeiderswijk was, de Annex genaamd. Het werd bijna volledig bewoond door immigrantenfamilies van over de hele wereld.

Was jij een van die kinderen die altijd al wist dat ze later wetenschapper wilden worden?

Nee. Ik dacht dat ik muzikant zou worden. Of misschien een danseres. Ik speelde steeldrums vanaf mijn vierde jaar. Ik kon al op zeer jonge leeftijd muziek lezen. Op de basisschool leerde ik blaasinstrumenten spelen. Later ben ik zang gaan studeren.

Er was gewoon veel muziek in mijn jeugd. Mijn vader, een immigrant uit Trinidad, ondersteunde het gezin als technicus bij de CBC, de Canadian Broadcasting Company. Maar hij was ook een beroepsmuzikant. Hij gaf regelmatig concerten. Ik heb met hem opgetreden.

Binnen het gezin heerste het gevoel dat mijn broers en zussen en ik alles konden doen waar we zin in hadden - of het nu ging om het beheersen van een nieuw instrument of het verkrijgen van toelating tot de beste middelbare school van de stad. Als ik ergens interesse in toonde, was het antwoord: ‘Ga naar de bibliotheek, leer er alles over en maak een plan.’

Je familie klinkt opmerkelijk.

Het familieverhaal was dat we mensen waren van bescheiden afkomst, maar getalenteerd, krachtig en ongelooflijk creatief.

We zijn zeker opgevoed met het idee dat we anders en speciaal zijn, maar anderen herkennen dat misschien niet. Onze ouders hebben ons geleerd: 'De wereld zal je niet altijd waarderen om wie je bent. Laat dat je er niet van weerhouden om het beste leven te leiden dat je kunt.”

Was het een uitdaging om op te groeien in een interraciaal gezin in het Canada van de jaren zeventig?

Al op jonge leeftijd begreep ik dat veel mensen het niet leuk vonden dat mijn vader zwart was en mijn moeder blank. De familie van mijn moeder was niet enthousiast dat ze met een zwarte man was getrouwd en vier zwarte kinderen had gekregen. Het kostte hen tijd om het te accepteren.

Achteraf ben ik tot het besef gekomen dat de buitenaardsheid van ons gezin mij veel nuttige hulpmiddelen heeft gegeven. Ik wist bijvoorbeeld al op jonge leeftijd dat de buitenwereld vijandig tegenover mij zou kunnen staan, en daarom kon ik er niet op rekenen voor nauwkeurige feedback. Ik heb al vroeg veel geoefend in het voor mezelf beslissen of iets goed of slecht was – of interessant. Dat is een enorme troef als je experimenten ontwerpt.

Hoe is, gezien uw vroege interesse in optreden, de interesse in genetica in uw leven gekomen?

Geheel per ongeluk. In mijn eerste jaar op de universiteit, aan de Universiteit van Toronto, bevond ik me in een situatie waarin ik snel een hoofdvak moest kiezen. Ik zong destijds in een refrein en ik vroeg de buurvrouw die naast me zat wat die van haar was. ‘Genetica,’ zei ze. Het was een volkomen willekeurige beslissing.

Maar een geluksvogel?

Ja. Omdat genetica-majors biochemie moesten volgen. Ik had eerder biologielessen gevolgd, maar ik vond ze – tenminste zoals ze werden onderwezen – een onsamenhangende lijst van dingen die je moest onthouden.

Biochemie daarentegen was een spannende logische puzzel. Er waren al deze verschillende onderdelen – eiwitten, mitochondriën, genen – en ze werkten allemaal samen om een ​​cel te maken die dingen zou doen. Het spel was om erachter te komen hoe de stukken in elkaar werkten. Dat vond ik helemaal boeiend.

Nu was ik niet opgegroeid in een academische omgeving. Ik wist niets van een onderzoekscarrière, en wist ook niet dat de baan die ik nu heb überhaupt bestond.

Maar ik vroeg rond op school en een van de oudere leerlingen vertelde me: "Als je serieuze genetica wilt doen, moet je naar de graduate school gaan en een doctoraat behalen."

Je hebt ervoor gekozen om je masterstudie in Europa te doen. Waarom daar?

Ik heb voor de Autonome Universiteit van Madrid gekozen omdat ik vloeiend Spaans wilde leren en omdat ik bij hen wilde studeren Antonio Garcia-Bellido, een van de meest vooraanstaande ontwikkelingsgenetici van de 20e eeuw. Toen ik zijn artikelen las, leek hij over ontwikkeling na te denken op een manier die niemand anders deed.

Toen ik later over die beslissing nadacht, leek het achteraf gezien om een ​​andere reden een verstandige keuze. Als ik mijn afstudeerwerk in de Verenigde Staten had gedaan, waartoe ik werd aangemoedigd, zou dat de graduate school moeilijker hebben gemaakt dan het al was. In de VS voel je de voortdurende aanval van raciale verdeeldheid.

Het proefschrift dat u onder García-Bellido maakte, over selectie in de kiembaan van de fruitvlieg, had een enorme impact op de ontwikkelingsgenetica. Waarom was het zo’n blockbuster?

Omdat ik direct experimenteel bewijs leverde voor iets dat al lang werd verondersteld, maar nog niet eerder was aangetoond. Namelijk, net zoals hele dieren onderworpen kunnen zijn aan natuurlijke selectie, waarbij de fitte dieren beter overleven dan de minder fitte, kunnen individuele kiemcellen in een zich ontwikkelend dier hetzelfde doen.

Kiemcellen zijn fascinerend omdat ze een bijzondere nieuwigheid zijn onder meercellige organismen. Bijna elke grote succesvolle meercellige levensvorm plant zich voort met kiemcellen. Dit is de manier waarop genen van de ene generatie op de andere worden doorgegeven. Zij zorgen ervoor dat cellen aan elkaar kunnen blijven plakken, of een groot meercellig conglomeraat kunnen vormen, zoals een banaan of een persoon.

Je hebt dus bewezen dat de kiemcellen in de fruitvliegjes met elkaar concurreren. Maar op welke manier? Wat was de aard van hun concurrentie?

Door mutaties die spontaan in weefsels ontstaan, kunnen de verschillende kiemcellen in een organisme iets verschillende genen hebben. Deze mutaties kunnen van invloed zijn op hoe goed de geslachtscellen groeien en succesvolle eieren of sperma produceren, waardoor ze concurreren met natuurlijke selectie. Maar het blijkt dat veel van diezelfde genen ook ontwikkelingsprocessen in de rest van het lichaam beïnvloeden. Dit selectieproces onder de geslachtscellen kan dus gedurende hun hele leven grote gevolgen hebben voor de gezondheid en fitheid van de geproduceerde nakomelingen.

Uw proefschrift had sterke implicaties voor de evolutiebiologie, nietwaar?

Het deed. Het is erg belangrijk om te begrijpen hoe je een genetisch programma ontwikkelt om die kleine subset van voortplantingscellen te maken.

Een groot deel van mijn daaropvolgende carrière werd geleid door de wens te begrijpen hoe een enkele cel, de bevruchte eicel, een complexe meercellige volwassene creëert die uit miljoenen cellen bestaat. Ik probeer erachter te komen hoe de verschillende soorten cellen in organismen voor het eerst ontstonden.

Een van de vragen die ik stel is: Hoe weten ze wat ze moeten doen? Welke genen gebruiken ze hiervoor? En hoe evolueerden meercellige genen en celtypen eigenlijk, aangezien het eerste leven op aarde eencellig was?

Wat is er van je muzikale interesses geworden terwijl je kiemcellen probeerde te begrijpen?

Gaandeweg heb ik manieren gevonden om zowel wetenschap als muziek te beoefenen. Toen ik in Madrid werkte en later toen ik een postdoc deed in Cambridge in Groot-Brittannië, studeerde ik nog steeds zang. Bovendien woonde ik audities bij en trad ik in het weekend op in shows.

Terwijl ik aan mijn doctoraat werkte en tijdens mijn postdoc was mijn zangleraar in Zwitserland. Hij had andere studenten in Madrid en hij kwam ongeveer elke zes weken naar Spanje om bij ons te werken. Soms vloog ik naar Bazel voor lessen. Ik nam zijn lessen op en bestudeerde ze daarna.

Natuurlijk waren er momenten waarop deze twee belangen met elkaar in strijd waren. Nadat ik mijn doctoraat had afgerond, spoorde mijn stemleraar mij aan om mij fulltime aan het zingen te wijden. 'Je bent nu 26,' zei hij. 'Het is tijd om serieus te worden over je stem. Het is nu of nooit."

Ik heb zijn argument overwogen. Maar ik had een grote interesse in biologie. Uiteindelijk moest ik een manier vinden om beide te doen.

Gelukkig had ik als afgestudeerde student en als postdoc zeer ervaren hoofdonderzoekers die mij veel onafhankelijkheid gaven. Zolang ik het werk op het verwachte hoge niveau deed, kon ik mijn eigen planning maken.

Dat zou kunnen betekenen dat ik een paar extra nachten in het laboratorium moet doorbrengen om de fruitvliegjes in vorm te krijgen, omdat ik ze niet zou kunnen verzorgen tijdens een tournee met een show. Of de vliegen bij me dragen in mijn tas, zodat ik een experiment niet hoefde te stoppen.

Je hebt je postdoc gedaan bij de zoöloog Michaël Akam in Cambridge. In een tijdperk waarin biochemie de boventoon voert, kan de studie van hele dieren soms lijken op een terugkeer naar een andere eeuw. Waarom koos je het?

Omdat ik de bevindingen uit mijn proefschrift naar een volgende stap wilde brengen. In het proefschrift werd onderzocht hoe kiemcellen zich gedroegen in één dier. In Cambridge vroeg ik hoe kiemcellen zich bij alle dieren gedroegen en hoe ze evolueerden. Daarvoor heb ik in het laboratorium zee-egels, schaaldieren en zeeanemonen bestudeerd. Daarna las ik de historische literatuur, zo ongeveer alles wat gepubliceerd werd over de kiemcellen van honderden verschillende soorten.

Gedurende mijn carrière heb ik geprobeerd voort te bouwen op eerdere bevindingen, en dat betekent soms dat ik buiten de oorspronkelijke discipline moet treden of de definities ervan moet verruimen. Op dit moment proberen we in mijn laboratorium de evolutie van de ontwikkeling te begrijpen door niet alleen naar genen te kijken.

We integreren ecologie en milieu in onze studies. In plaats van alleen fruitvliegjes afzonderlijk te bestuderen, kijken we naar de microben die in de vliegen leven en naar de planten waarmee de vliegen zich voeden. Met dit werk hopen we te begrijpen hoe de ontwikkelingsprocessen kunnen evolueren in echte omgevingen.

Wat zijn volgens u de belangrijkste bevindingen uit uw Harvard-laboratorium?

Ten eerste laten we zien dat cel-celsignalering geen ongebruikelijke manier is voor dieren om dat te doen embryonale geslachtscellen genereren – dat wil zeggen cellen die eieren en sperma zullen worden. Het idee dat het grootste deel van de 20e eeuw de leerboeken domineerde, was dat bij insecten en de meeste andere dieren een ‘kiemplasma’ in het ei al heel vroeg in de ontwikkeling een duidelijke afstamming van kiemcellen tot stand bracht. Maar we hebben laten zien dat lichaamscellen bij krekels worden aangezet om in kiemcellen te veranderen door signalen uit de omringende weefsels. Dat gebeurt ook bij muizen en andere zoogdieren, maar men dacht dat het een nieuw mechanisme was dat zelden in de evolutie voorkwam.

Ten tweede, in 2020 ontdekken dat de lang verloren gewaande familieleden van oskar, een gen dat zeer bekend staat om zijn essentiële rol bij de voortplanting van insecten, waren dat eigenlijk wel uit bacteriën, niet alleen van eerdere dieren. Dit gen is ontstaan ​​door fusie van bacteriële genoomsequenties met dierlijke genoomsequenties. Het suggereert dat de voorlopers van oskar zeer verschillende functies had, mogelijk bij de ontwikkeling van het zenuwstelsel, en dat verder onderzoek naar de manier waarop het zijn nieuwe doel ontwikkelde zeer informatief zou kunnen zijn.

Ten derde: het vervalsen van eeuwenoude ‘wetten’ die de vormen van biologische structuren voorspelden. Insecteneieren variëren enorm, acht ordes van grootte in grootte en met enorm verschillende vormen. Eerdere aannames waren dat een of andere universele ‘wet’, die op alle dieren van toepassing was, de evolutie van de vormen en afmetingen van cellen en van structuren gemaakt van cellen zou kunnen verklaren. In het geval van eieren waren er veel eerdere hypothesen over wat deze wetten waren, waaronder bijvoorbeeld dat de afmetingen van de eieren de vereisten van de ontwikkelingssnelheid of de volwassen lichaamsgrootte voor elke soort weerspiegelden.

Maar we hebben een ongeëvenaarde dataset samengesteld van meer dan 10,000 metingen van insecteneieren en hebben dat gevonden Wat de grootte en vorm van een ei het beste voorspelde, was de plaats waar het zou worden gelegd. Eieren gelegd op de grond of onder blades zijn in principe elliptisch. Eieren die in het water worden gelegd, zijn meestal kleiner en bolvormig. Parasitoïde eieren die in andere insecten worden gelegd, zijn ook klein maar asymmetrisch.

Hoe bent u ertoe gekomen uw werk van Cambridge naar Harvard te verplaatsen?

In 2003 nodigde Harvard mij uit om een ​​seminar te geven. Naderhand zeiden mensen: 'Weet je dat er een universitair docentschap openstaat in de evolutionaire ontwikkelingsbiologie? Je moet solliciteren.”

Ik was volkomen gelukkig in Cambridge. Ik had net vier jaar financiering voor onderzoek gekregen. Eerlijk gezegd dacht ik niet dat ik de baan zou krijgen, omdat ik een vrij duidelijk idee had van waar Harvard naar op zoek was, en het leek niet op mij. Ik was verrast toen ik een aanbieding ontving.

Binnen een paar jaar heb je een ambtstermijn gewonnen. Sterker nog, je werd de eerste zwarte vrouw die een aanstelling kreeg in de biologische wetenschappen aan de Faculteit der Kunsten en Wetenschappen van Harvard. Voelde dat goed, of voelde dat als een last?

Beide. Luister, dit was niet de eerste keer in mijn leven dat ik een 'primeur' was. De enige zwarte vrouw zijn in een geheel witte omgeving is in wezen het verhaal van mijn professionele leven. Het door mij gekozen werkveld is overwegend wit. Als ik iets professioneels doe, ben ik vaak de eerste zwarte vrouw die het doet. Dat is geen reflectie op mij. Dat is een reflectie op het veld.

Heeft u enige vooringenomenheid ervaren op Harvard?

Ik heb geen enorme hoeveelheid opzettelijke blokkades of gerichte discriminatie ervaren. Maar er gebeuren vaak dingen. Ik sta ergens voor de deur en krijg te horen dat ik de dienstingang moet gebruiken. 'O, ik ben hier voor het [Harvard] Corporation-diner,' leg ik uit. “Oh ja, de dienstingang bevindt zich aan de achterkant.”

Of ik ben de keynote speaker op een conferentie. Ik ga naar de receptie en hoor: "Wacht je op iemand?"

Het is zo constant. Zeggen dat we moeten reageren als “het is water van de rug van een eend” houdt in dat er geen residu achterblijft. Er is een enorme opeenhoping van littekenweefsel. Ik kan mijn hersenruimte niet gebruiken om ze allemaal vast te houden, omdat ik mijn hersenruimte nodig heb om andere dingen te doen.

Het is bekend dat relatief weinig zwarte Amerikanen een hogere opleiding volgen in de STEM-disciplines. Zij vormen 14% van de bevolking en toch slechts 7% van de doctoraatsstudenten in wetenschap en techniek. Waarom is er, op basis van wat u hebt gezien, zo'n verschil?

Eén reden is dat de experimentele en theoretische wetenschappen voor het grootste deel gebaseerd zijn op een leerling- of poortwachtersmodel. Via een mentor of adviseur krijgt men toegang tot een carrière. De trainers kiezen stagiaires waarmee zij zich identificeren. Als de poortwachters tot een bepaalde groep behoren, bestendigen zij die groep.

Kunt u uw positie gebruiken om minderheidsstudenten te ondersteunen die geïnteresseerd zijn in een wetenschappelijke carrière?

Ik doe mijn best om voor hen op te komen. Ik geef prioriteit aan het praten met minderheidsstudenten wanneer zij dat nodig hebben. Voor de minderheidsstudenten is het belangrijk om een ​​positieve aanwezigheid en een luisterend oor te bieden.

Dat gezegd hebbende, kom ik opdagen voor al mijn studenten. Voor de studenten in de meerderheid ben ik vaak de eerste zwarte professor die ze ooit hebben gehad. Het is belangrijk dat ze mij kennen.

Over het andere deel van je leven: muziek. Voedt uw muziek überhaupt uw ​​wetenschap?

Dat zou ik niet zeggen, hoewel mijn hersenen en lichaam tijdens het zingen wel een pauze krijgen van de wetenschap.

En vice versa. Beide bezigheden zijn op verschillende manieren extreem veeleisend en boeiend. Het veranderen van activiteiten geeft een deel van mij de kans om uit te rusten en bij te tanken en na te denken over dingen in het onderbewustzijn terwijl ik met iets anders bezig ben. De onbewuste dingen kunnen weer naar de oppervlakte komen als ik terugkom.

Waar er misschien enige overlap is, is de realiteit dat het allebei creatieve, probleemoplossende ondernemingen zijn. In de kunst heb je iets te communiceren. Jij kiest het medium. Je probeert de uitdrukking ervan te perfectioneren, en je gaat erop uit en doet het. In de wetenschap verzamel je je hulpbronnen, beantwoord je een vraag en communiceer je deze met de wereld. In dat opzicht lijken ze enigszins op elkaar.

Je trad in december op in het Lincoln Center in New York als onderdeel van een ensemble dat Händel's presenteerde Messias. Hoe bereid je je voor op zo’n optreden?

Om eerlijk te zijn, kan ik me succes voorstellen. Terwijl we backstage wachten op onze entree, zie ik in gedachten het einde van de show en het applaus. Ik stel me staande ovaties voor en zie de mensen op de eerste rij met verrukte blikken op hun gezichten. Ik stel mezelf voor tijdens de voorstelling: ik voel me vrij, voel me gevuld met de muziek, voel dat mijn lichaam een ​​voertuig is voor de communicatie van de muziek.

Heb je ooit spijt gehad dat je, toen je de kans had, niet naar Zwitserland bent verhuisd om je fulltime met muziek bezig te houden?

Nee. De wetenschap was een keuze die mij naar een verbazingwekkende en opwindende carrière heeft geleid: ik besteed het grootste deel van mijn tijd aan het proberen begrijpen van de oorsprong van meercellig leven en van kiemcellen, en het is eigenlijk mijn betaalde baan om dit te doen! Ik wil hier voor blijven kiezen. Het is superinteressant en leuk.