Steffen Pauls

Herr Prof. Pauls, Sie sind Leiter der Abteilung Terrestrische Zoologie sowie der Sektion Entomologie III am Senckenberg Forschungsinstitut und Naturmuseum Frankfurt. Ihre Forschungsschwerpunkte liegen unter anderem in der Bestimmung, Evolution und Diversität von Wasserinsekten. Haben Sie sich schon als Kind für Insekten begeistert, oder begann die Faszination eher später?

Mich hat als Kind vor allem Wasser begeistert. Ich bin in Kanada groß geworden und habe in den Sommern immer sehr viel Zeit mit Kanufahren verbracht. Dabei habe ich die Seen und Sümpfe bei unserer Sommerhütte erkundet und die Natur förmlich in mich aufgesogen. Oft habe ich als Kind in Bächen gespielt und Steine umgedreht, um zu gucken, welche Tiere im Bach leben. Und es war immer sehr spannend: Als ich die Steine umgedreht habe, liefen die meisten Tierchen sofort weg. Die einzigen, die auf dem Stein geblieben sind, waren die Köcherfliegen. Man konnte sie beobachten, wie sie in ihren selbstgebauten Wohnröhrchen sitzen und sich sehr langsam bewegen. Die Tatsache, dass diese Tiere aus den verschiedensten Materialien wie Pflanzen, Steinchen und Muscheln eine Art Haus bauen, das sie dann herumtragen können, fand ich absolut begeisternd. Dieses gesamte Ökosystem mit den unterschiedlichen Tieren – Fischen, Insekten, Würmern, Muscheln – zu verstehen, hat mich schon immer fasziniert.

Einige Jahre später, bei einer Exkursion im Massif Central in Frankreich, habe ich eine Art Köcherfliege gesehen, die einen weiß bedeckten Kopf hatte. Ich dachte, der Kopf sei verpilzt. Es stellte sich aber heraus, dass es tatsächlich Haare und Borsten sind, die diese Köcherfliege auf dem Kopf trägt. Sie erinnerte mich an einen Irokesenschnitt. Und diese Larve baut einen sehr ungewöhnlichen Köcher, ein ungewöhnliches Wohnhaus, aus Steinen mit einer Art Spoiler aus Fichtennadeln am Rücken. Ich dachte mir, jetzt habe ich den Punker unter den Köcherfliegen gefunden! Diese Tiere haben mich total begeistert, und ich habe dann auch über ihre Evolution promoviert.

Welche Art war das? Und was haben Sie an dieser Art geforscht?

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

Drusus discolor – Der „Punker“ unter den Köcherfliegen

So ist auch meine Faszination für Genetik als „Tool“ entstanden. Ich finde es unglaublich spannend, dass wir mittlerweile anhand der Genetik die komplette Evolution, also die gesamte Lebensgeschichte einer Art, rekonstruieren können. Wir können zum Beispiel erkennen, welchen Austausch es in der Vergangenheit zwischen einzelnen Populationen, also einzelnen Gruppen von Individuen, gab. Und dieser Genfluss – wer tauscht sich mit wem aus – ist heute wiederum für den Naturschutz unglaublich wichtig.

Und wie kam es von den populationsgenetischen Analysen zur Gründung eines Zentrums, das genomische Forschung betreibt? In Zusammenarbeit mit Kolleg*innen haben Sie das LOEWE-Zentrum für Translationale Biodiversitätsgenomik (TBG) ins Leben gerufen, das Anfang 2018 seinen Betrieb aufnahm. Welchen Forschungsfragen möchte das Zentrum nachgehen?

Die Idee, ein Zentrum für Biodiversitätgenomik zu gründen, ist daraus entstanden, dass wir hier bei Senckenberg, wie auch in vielen anderen naturkundlichen Museen, schon seit vielen Jahren mit genetischen Daten arbeiten. Wir haben aber festgestellt, dass die Anzahl der Daten, die erschwinglich generiert werden können, unsere Aussagefähigkeit beschränkt. Wenn man zu wenige Daten aus einem Genom anschauen kann, wie es bei der klassischen Populationsgenetik der Fall ist, dann bekommt man keine klaren Signale zum Beispiel zur Populationsstruktur oder zur Evolution.

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 haben auch festgelegt, dass uns die reine Beschreibung dieser genomischen Vielfalt nicht ausreicht. Wir wollen mit dieser Vielfalt globale Probleme, die es heutzutage in unserer Gesellschaft gibt, angehen oder zu einer Lösung beitragen. Dafür haben wir sehr anwendungsorientierte Forschungsbereiche etabliert, die die genomischen Informationen für ein anwendungsorientiertes Produkt oder eine anwendungsorientierte Forschung nutzen.

Wir analysieren zum Beispiel genomische Informationen, um neue Naturstoffe zu entdecken. Das klappt mittlerweile sehr gut: Die Arbeitsgruppen, die sich mit der genetischen Basis der Tiergifte von Wespenspinnen oder von Schnurwürmern auseinandersetzen, finden regelmäßig neue Wirkstoffe, die eine biologische Aktivität aufweisen. 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 Stoffe möglicherweise medizinisch oder pharmakologisch weiter erforscht 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 Projekte, die wir noch planen. Wir haben das Glück, dass wir über das LOEWE- Zentrum vier neue Professuren nach Frankfurt und an unsere Partnerinstitutionen holen konnten. Damit haben wir ein großes und sehr starkes Team für die Biodiversitätsgenomik.

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