Steffen Pauls
Imago einer Allogamus Köcherfliege
Foto: Miklos Balint

Herr Pauls, Sie leiten die Abteilung Terrestrische Zoologie und auch die Sektion Entomologie III am Senckenberg-Standort Frankfurt und beschäftigen sich mit der Evolution und Diversität von Wasserinsekten. Wie kamen es dazu?

Wasser hat mich schon als Kind magisch angezogen. Ich bin in Kanada aufgewachsen und war sehr häufig mit dem Kanu unterwegs. In der Nähe unserer Sommerhütte habe ich die Seen und Sümpfe erkundet und die Natur förmlich in mich aufgesogen. Oft spielte ich an Bächen, habe Steine umgedreht, um zu schauen, welche Tiere darunter leben. Die meisten krabbelten sofort weg. Die einzigen, die nicht die Flucht ergriffen, waren die Köcherfliegen. Ich schaute zu, wie sie in ihren selbstgebauten Wohnröhrchen sitzen und sich sehr langsam bewegen. Sie bauen eine Art Haus aus verschiedensten Materialien – Pflanzen, Steinchen und Muscheln – , das sie mit sich umhertragen. Ich war fasziniert von diesen Tierchen. Später wollte ich mehr wissen, das ganze Ökosystem mit all seinen Organismen – Fische, Insekten, Würmer, Muscheln und viele mehr – verstehen.

… so studierten Sie Ökologie und blieben damit Ihrem Element Wasser treu – und wurden Gewässerökologe.

Das stimmt. Einige Jahre darauf, als junger Wissenschaftler auf einer Exkursion im Massif Central in Frankreich, entdeckte ich eine Köcherfliegenart, deren Kopf einen weißen „Belag“ hatte . Ich dachte zunächst, er sei verpilzt. Es stellte sich aber heraus, dass es tatsächlich Haare und Borsten sind. Und diese Larve baut einen sehr ungewöhnlichen Köcher, ein Wohnhaus aus Steinen mit einer Art Spoiler aus Fichtennadeln am Rücken. Ich war fasziniert von diesen Tieren, beschäftigte mich intensiv mit ihnen – und schrieb meine Doktorarbeit über ihre Evolution.

Welche Art war das? Was genau haben Sie erforscht?

Sie heißt Drusus discolor und lebt in den höheren Gebirgen Europas: in den Alpen, den Pyrenäen, im Massif Central, in der Tatra und in den Mittelgebirgen Deutschlands. Wie die Berge selber ist diese Köcherfliegenart inselartig verbreitet, und die einzelnen Gebirgspopulationen sind voneinander getrennt. Dennoch kommt sie in all diesen Gebirgen vor – eigentlich ein Widerspruch: Die Art ist weit verbreitet und dennoch stark isoliert. Mich hat besonders interessiert warum sie genau an diesen Orten vorkommt. Welche Umweltbedingungen ermöglichen es ihr, dort zu existieren, und welche Geschichte hat sie durchlaufen, um dort hinzukommen?

Drusus discolor – Der „Punker“ unter den Köcherfliegen

So kam ich schließlich zur Genetik. Es ist unglaublich spannend und faszinierend, dass sich mit diesem „Tool“ mittlerweile die komplette Evolution einer Art, also ihre Lebensgeschichte rekonstruieren lässt. Wir können zum Beispiel erkennen, ob es in der Vergangenheit zu Genfluss kam und wie der Austausch zwischen einzelnen Populationen, also einzelnen Gruppen von Individuen, vonstatten ging.

Neben ihrer Forschung und Leitungsaufgaben bei Senckenberg haben Sie auch das neue LOEWE-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik mit ins Leben gerufen, und Sie sind Kosprecher der Initiative. Wie kam es dazu und welchen Aufgaben gehen die Forscher*innen nach?
Die Idee, ein Zentrum für Biodiversitätsgenomik zu gründen, ist daraus entstanden, 
dass wir hier bei Senckenberg schon lange Jahre mit genetischen Daten arbeiten. Außerdem bietet der enorme technische Fortschritt auf dem Gebiet der DNA-Sequenzierung ungeahnte Möglichkeiten der Erfassung und Auswertung genomischer Daten. 

Seit der internationalen Forschungsinitiative zum Human Genome Projekt, in dessen Rahmen das Genom des Menschen vollständig entschlüsselt wurde, wurde klar, dass man das komplette Genom, also die Gesamtheit der genetischen Information, erfassen kann. Ausgehend von diesem Megaprojekt und bedeutender technischer Innovationen, die die Sequenzierung von Genomen deutlich günstiger machen, kam es weltweit zu diversen Initiativen, die in den nächsten Jahrzenten das Erbgut aller Lebewesen entschlüsseln wollen. Die meisten Initiativen fokussieren sich auf eine einzelne Tiergruppe oder Pflanzengruppe, um zum Beispiel alle Vogelarten, alle Pilze, alle Säugetiere, alle Pflanzen der Welt genetisch zu sequenzieren.

TBG
8. März 2018 – Startschuss für das LOEWE-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik 
Von links nach rechts: Prof. Dr. Sven Klimpel, Prof. Dr. Steffen Pauls, Prof. Dr. Markus Pfenninger, Prof. Dr. Axel Janke, Boris Rhein, Prof. Dr. Andreas Mulch, Prof. Dr. Birgitta Wolff, Prof. Dr. Peter Kämpfer, Dr. h. c. Beate Heraeus, Prof. Dr. Andreas Vilcinskas, Prof. Dr. Michael J. Parnham

In diesem Kontext wurde uns klar, dass Naturkundemuseen anfangen müssen, nicht nur Genetik zu betreiben, sondern tatsächlich in die Genomik einzusteigen. Der Grund, warum wir als Museum Biodiversitätsgenomik machen wollten, ist einfach der, dass wir sehr viele Forscher haben, die mit den verschiedensten Organismengruppen arbeiten und von diesen genetischen Informationen profitieren können. Und so ist die Idee geboren, die Biodiversitätsgenomik hier in Frankfurt als Zentrum zu etablieren.

Wie sind die Schwerpunkte des Zentrums entstanden?

Im Gegensatz zu denjenigen Initiativen, die einzelne Tier- und Pflanzengruppen genomisch sequenzieren, haben wir beschlossen, die genetische und genomische Vielfalt über den Stammbaum des Lebens, also über die gesamte organismische Vielfalt, zu analysieren. Wir wollen sozusagen mehr in die Organismenbreite gehen, und zum Beispiel einen Schwamm mit einer Koralle, einer Qualle oder einem Insekt vergleichen. Wir wollen die Genomik nutzen, um globale Probleme anzugehen beziehungsweise zu ihrer Lösung beizutragen. Dafür haben wir anwendungsorientierte Forschungsbereiche etabliert, in denen gesellschaftlich relevante „Produkte“ (mit)entwickelt werden sollen.

Wir nutzen genetische  Informationen, um etwa neue Naturstoffe zu entdecken. Die Arbeitsgruppen, die sich mit der genetischen Basis der Tiergifte von Wespenspinnen oder Schnurwürmern auseinandersetzen, finden immer wieder  neue Wirkstoffe mit biologischer Aktivität. Unsere Partner – das Fraunhofer Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie IME mit den Arbeitsgruppen von Prof. Gerd Geisslinger und Prof. Dr. Andreas Vilcinskas und der Arbeitskreis von Prof. Robert Fürst vom Institut für Pharmazeutische Biologie an der Goethe-Universität Frankfurt – überprüfen die antibakterielle, entzündungshemmende oder schmerzlindernde Wirkung dieser Naturstoffe. So finden wir heraus, ob diese Substanzen möglicherweise medizinisch oder pharmakologisch eingesetzt werden könnten.

Die Arbeitsgruppe, die an Flechten forscht, hat auch schon Stoffe gefunden und isoliert, die in Zellkulturen eine Entzündungshemmung aufweisen. Die Flechten produzieren häufig sogenannte Abwehrstoffe, womit sie sich normalerweise gegen andere Organismen schützen, zum Beispiel gegenüber Pilzen oder Fressfeinden. Und sie können Stoffe als UV-Schutz produzieren. Je mehr solcher Stoffe wir kennen und je besser wir verstehen, wie sie auf Basis der genetischen Information produziert werden, desto eher könnte man in Zukunft einzelne solcher Stoffe gezielt in Produkten, zum Beispiel als Pestizid, entwickeln. Wenn man weiß, dass Schnecken eine Flechte wegen ihrer Naturstoffe nicht fressen, könnte man diese Naturstoffe biotechnologisch produzieren und als Schneckenpestizid für den Garten nutzen.

Ein weiteres Forschungsthema ist der Erhalt der Organismenvielfalt im Boden. Das ist im Moment ein sehr aktuelles und brennendes Thema. Prof. Miklos Balint wurde vor wenigen Monaten ans LOEWE TBG und die Justus-Liebig-Universität Gießen berufen. Unter anderem sequenziert er die Genome ganz kleiner Bodentierchen. Denn wir wissen mittlerweile, dass in einer Handvoll Erde mehrere Dutzend solcher „Würmer“ und Gliedertiere vorkommen können. Diese Organismen haben verschiedene Funktionen: Sie zersetzen die toten organischen Bestandteile im Boden, produzieren und speichern Nährstoffe. Die genetischen Daten dieser sequenzierten Organismen werden von der Arbeitsgruppe in einer Datenbank gespeichert, damit man später anhand der Daten ganz schnell Informationen zur Bodenqualität und zur Bodenfunktion erhalten kann.

Folsomia candida –  eine Springschwanzart aus der Familie der Isotomidae, gilt als wichtiger ökotoxikologischer Testorganismus. Er hat einen unpigmentierten, schlanken Körper von bis zu 3 mm Länge.

Ein weiteres aktuelles Forschungsthema widmet sich dem akuten klimabedingten Waldsterben. Durch die Aufklärung der genomischen Grundlagen (zum Beispiel Genverluste, Mutationen) erhoffen wir uns, die Klimatoleranz von Bäumen besser zu verstehen. Wir haben ein Projekt, geleitet von Prof. Dr. Markus Pfenninger, in dem die genetischen Unterschiede zwischen dürreempfindlichen und dürretoleranten Rotbuchen untersucht wurden. Dabei haben wir spezifische Veränderungen im Genom geschädigter Rotbuchen erkannt. Jetzt erarbeiten wir Methoden, mit denen man ganz schnell diese genetischen Daten eines Setzlings „auslesen“ kann. Diese Information kann für die Wiederaufforstung eine große Rolle spielen.

Steffen Pauls
Auch die Buche als der Leitbaum der hessischen Wälder hat stark unter der Dürre der letzten Jahre gelitten.

Wir versuchen aber auch Methoden für das Monitoring von Amphibien, also zum Beispiel von Fröschen, Kröten oder Salamandern, zu entwickeln. Denn mittels der genomischen Tools können wir schneller erfassen, welche Organismen wo leben, ohne die Tiere direkt zu stören. Und das ist für seltene oder gefährdete Arten immer wichtiger. In diesem Projekt geht es konkret darum, mit Hilfe einer genetischen Datenbank für Amphibien und Wasserproben festzustellen, welche Froscharten in einem Teich leben. Denn die Tiere hinterlassen Spuren ihrer DNA im Wasser.

Aber wir untersuchen auch große Säugetiere wie Giraffen. Da wurde anhand der genomischen Daten festgestellt, dass manche Giraffenarten, die früher anhand der morphologischen Merkmale als Unterarten eingestuft wurden, eigentlich selbständige Giraffenarten sind. Solche Informationen sind für den Schutz der Arten sehr wichtig.

Meine Arbeitsgruppe forscht im Moment an der Seide, die von Köcherfliegen produziert wird. Diese Seide ist ein ganz besonderes Material, denn sie wird unter Wasser produziert und verarbeitet. Wir arbeiten daran zu verstehen, welche genetischen Grundlagen Köcherfliegen haben, um eine solche wasserfeste und reißfeste Seide zu produzieren. Vielleicht können wir in der Zukunft dieses Wissen nutzen, um Unterwasserseide zu produzieren. Schmetterlingseide produzieren wir Menschen schon seit vielen Jahrhunderten, Spinnenseide seit wenigen Jahren auch künstlich. Das wäre auch für die Unterwasserseide das Ziel, aber wir sind hier noch am Anfang.

Philopotamus spec beim Wohnröhrbau

Dies sind einige Beispiele für die Forschung am LOEWE-Zentrum TBG. Es gibt natürlich weitere laufende Projekte und viele, die sich in der Planung befinden. Dass wir für das LOEWE-Zentrum drei neue Professuren gewinnen konnten, ist ein Glücksfall. Damit haben wir ein großes und starkes Team für die Biodiversitätsgenomik aufgebaut.

Welche Herausforderungen gibt es beim LOEWE-Zentrum TBG?

Anfangs dachten wir, die Kosten für die Sequenzierung werden zum Problem. Die Preise haben sich aber in den letzten drei Jahren so stark verändert, dass es mittlerweile relativ einfach geworden ist, die Daten zu generieren. Die Datenauswertung hingegen dauert sehr lange: Wie man zum Beispiel aus den genomischen Daten von vielen Tausend Tieren zu vergleichbaren Genomen kommt und wie man diese analysieren kann, ist aktuell eine Herausforderung, an deren Lösung wir arbeiten.

Und es gibt auch Herausforderungen in der Beschaffung von Material. Wie bekommt man zum Beispiel eine Gewebeprobe von einem Blauwal, die man genomsequenzieren möchte? Das ist nicht trivial. Wo gibt es noch interessante Genome oder Organismen, die man sequenzieren will? Zum Beispiel in der Tiefsee gibt es unglaublich viele unentdeckte und sehr spannende Tiere. Diese sind für die Naturstoffgenomik interessant, aber auch für die Evolutionsforschung. Wie sich diese Tiere an die absolute Dunkelheit und an die extremen Drucksituationen, die in der Tiefsee herrschen, anpassen, bleibt für viele Arten ungeklärt. Das sind sehr spannende Fragen. Aber es ist nicht einfach, Tiefseetiere für die Forschung zu bekommen. Aber auch in anderen Ökosystemen ist es oft schwierig, das Probenmaterial zu erhalten. Oft sucht man ganz bestimmte Arten, und ich habe schon viele Wochen zu Fuß in den Bergen verbracht, um zur rechten Zeit am rechten Ort zu sein, um die notwendigen Tiere zu sammeln. Die Materialbeschaffung also ist eine der größten Herausforderungen, die wir haben.

Steffen Pauls
Steffen Pauls bei der Probenahme im Kanchenjunga Massiv, Himalaja

Hinzukommt, dass es immer mehr internationale Abkommen gibt, die den „Export“ von Organismen und deren genetischer Erforschung regulieren. Dies ist für den Schutz der Arten vor kommerzieller Ausbeutung notwendig, führt aber auch zu größerem administrativen Aufwand für die Naturforschung allgemein. Bei TBG halten wir uns natürlich an diese Regeln und den CETAF „Code of Conduct“ und fokussieren uns im Moment auf Projekte in Deutschland beziehungsweise auf Organismen aus Ländern, mit denen internationale Kooperationen bestehen.

Braucht man denn immer frisches Material zur DNA-Extrahierung?

Das ist bei den verschiedenen Organismengruppen sehr unterschiedlich. Und wir entwickeln Labor-Protokolle, um zum Beispiel aus einer Qualle, aber genauso aus Vogelblut oder aus einem Insekt DNA extrahieren zu können. Hierfür brauchen wir oft eine relativ lange Entwicklungszeit, bis wir hochqualitative DNA aus dieser Organismenvielfalt extrahieren können. Das ist sozusagen die technische Schwierigkeit, die wir haben. Und hierbei hilft es, gerade in der Methodenentwicklung, wenn man frisches Material als Quelle hat.

Frisches Material ist auch notwendig, wenn man ein sehr hochqualitatives Referenzgenom generieren möchte. Bei solchen Genomen erhält man idealerweise die komplette Information eines Chromosoms an einem Stück. Die DNA liegt ja zusammengeknüllt als Chromosom in den Zellen vor und ist unglaublich lang. Beim menschlichen Chromosom ist der DNA-Strang circa viereinhalb Zentimeter lang. Und davon finden wir 46 in einer einzelnen Zelle! Und diese Stränge eins zu eins abzubilden, ist mit der Genomsequenzierung sehr schwierig. Denn je frischer und besser die Qualität der Ausgangs-DNA, das heißt je weniger zerbrochen sie vorliegt, desto höher liegen die Chancen, ein sehr gutes Referenzgenom zu erhalten. Dafür benötigen wir frisches Gewebe.

Dr. Carola Greve und Damian Baranski bereiten eine Genomsequenzierung im Laborzentrum von TBG vor

Aber frisches Material alleine reicht nicht aus. Das Gewebe muss korrekt konserviert werden. Denn die DNA zerbricht in kleinere Stücke, wenn im Gewebe z.B. noch ausreichend Wasser vorhanden ist und Enzyme die DNA abbauen können. Deswegen ist die Sequenzierung von Pflanzen etwas einfacher. Denn wenn man Pflanzen im Gelände sammelt, ist das Erste, was man damit macht, sie zu trocknen. Wenn man in den sonnigen mediterranen Gebieten Pflanzen schnell und gut trocknet, dann kann man sicherlich noch viele Jahre lang gute DNA daraus erhalten. Wenn man aber im tropischen Regenwald auf einer Expedition ist und es regnet vier Wochen lang, dann sind die gesammelten Pflanzen oder Insekten letztlich auch feucht. Und dann ist es schwieriger, weil es vorkommen kann, dass die DNA über die Enzyme in dem feuchten Medium stärker abgebaut wird. Die Grundidee bei fast jeder Form der DNA-Konservierung ist es, den Zellen das Wasser zu entziehen.

Aber wenn die Laborprotokolle stehen, können wir zum Teil auch auf älteres Material, zum Beispiel aus den naturhistorischen Sammlungen, zurückgreifen. Oder wenn man eine Analyse durchführen möchte, bei der man sich viele verschiedene Fragmente aus dem Genom anschaut. So kann man hunderttausende Fragmente der Genome von vielen Individuen einer Art untersuchen, um etwas über deren Populationsgenfluss beziehungsweise deren genetische Variabilität zu erkunden. So etwas geht auch noch mit Jahrzehnte altem Material aus Museen.

Werden die genetischen Daten aus den Projekten veröffentlicht beziehungsweise zugänglich gemacht?

Grundsätzlich machen wir unsere Daten mittelfristig öffentlich. Wenn wir zum Beispiel Genome für das Insekt des Jahres oder Genome für neu entdeckte Arten beim Senckenberg Naturmuseum analysieren, dann werden diese Daten sofort öffentlich gemacht. Die Genome aus unseren eigenen Forschungsprojekten veröffentlichen wir erst, wenn die Analysen damit abgeschlossen sind und wir unsere eigene Forschung publiziert haben. Dann werden diese Genome natürlich auch veröffentlicht, sodass andere Wissenschaftler*innen künftig damit arbeiten können und wir gemeinsam die genomische Biodiversitätsforschung vorantreiben.

 

Das Interview führte Noemi Nagy, Stab Kommunikation der Senckenberg Gesellschaft für Naturforschung