Jessica Finck

Mikroorganismen sind Treiber unserer biogeochemischen Stoffkreisläufe und beeinflussen nachhaltig die Kohlenstoffspeicherkapazität von Böden durch ihre Aktivität. Trotz dieser Erkenntnis gibt es viele Wissenslücken, wie die Aktivität von Mikroorganismen Ökosysteme beeinflusst wird, vor allem in unberührten Systemen wie dem Amazonas Regenwald. Mein PhD Projekt beschäftigt sich daher damit, zu untersuchen, wodurch mikrobielle Gemeinschaften geformt werden und inwieweit Umweltstressoren wie anhaltende Trockenheit diese Gemeinschaften und ihre funktionellen Kapazitäten (z.B. CO2-Freisetzung) beeinflussen.

Stärkere Stürme in der Hurricane Saison in den USA, feuchtere und wämere Winter in Europa, die das Zuwandern tropischer Insekten und Spinnen begünstigen, und Trockenheit in Regenwäldern die früher einsetzt und länger einhält. All dies sind Beispiele wie sich Klimawandel bemerkbar machen kann, und besonders gefährdet von Extremwetter sind dabei Äquatorialregionen, zu denen der Amazonas zählt.

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Bodenbeprobung im Regenwald: Entnahme

Diese Veränderungen erleben wir hautnah mit wenn wir bei unseren jährlichen Kampagnen im Amazonas Proben nehmen, und es ist wichtig zu verstehen, wie ein System, das als zentrale Regulierung des globalen Klimas fungiert, langfristig auf Umweltstörungen und Wetterextreme wie die höher frequente Trockenheit reagiert.

Als Teil meines Projektes haben wir daher in den Jahren 2022 und 2023 Bodenproben in verschiedenen Ökosystem des Amazonas genommen (Weißsand-Wälder & Terra Firme Wälder). Das ist vor allem wichtig, da fortlaufende Trockenheit zu irreversibler Veränderung von Ökosystem, und im extremsten Fall zum Ökosystem-Wandel führen kann (bspw, dass aus einem Wald ein Weiß-sand System wird).

Wir wissen, dass Mikrobiome, und vor allem ihre funktionellen Kapazitäten Nährstoffe zu zirkulieren, und Kohlenstoff zu speichern massiv vom grundlegenden System beeinflusst werden. Es gilt daher nicht nur zu verstehen, wie sich Mikrobiome zwischen Systemen unterscheiden, sondern auch wie unterschiedlich diese verschiedenen Mikrobiome auf Umweltstörungen wie anhaltende und extreme Trockenheit, bspw. im Zuge des Klimawandels, reagieren. Das Schlagwort ist in diesem Fall: Wie resilient sind verschiedene Regenwald-Ökosysteme gegenüber Störungen?

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Bodenbeprobung im Regenwald: Erfolg

Um diese Fragen zu untersuchen haben wir im Rahmen des Amazon Tall Tower Observatory (ATTO)-Projektes, in welches unser Institut stark involviert ist, Bodenproben vor Ort genommen, etwa 70 km nördlich von Manaus entlang des ATTO-Transekts. Diese wurden für DNA-Extraktion und anschließende Sequenzierung verwendet, sprich um sich anzuschauen, „wer“ (welche Mikroben) in den jeweiligen Gebieten zur bestimmten Jahreszeit vorkommen.

Proben aus dem Jahr 2023 wurden zusätzlich für Metagenomik verwendet, um tiefere Einblicke in die funktionellen Treiber von relevanten Stoffkreisläufen zu ermöglichen. Die Prozessierung und Analyse der Metagenomik-Daten war dabei das Hauptziel meines Forschungsaufenthaltes in Boston. Die Auswertung der Metagenomik-Daten stellte für mich eine neue Herausforderung dar, welche mich animierte direkt an der Quelle zu lernen, wie man mit solchen Datensätzen umgeht.

Im Zuge dessen habe ich mich mit der Gruppe von Curtis Huttenhower (Hut Lab) in Kontakt gesetzt, welche ich erstmalig 2022 im Rahmen eines Workshops zum Thema Multi-omik persönlich kennenlernen durfte. Die Gruppe von Professor Huttenhower an der Harvard T.H. Chen School of Public Health ist ein Pionier auf dem Gebiet der Bioinformatik und speziell Multi-Omik, also der Auswertung von genomischen Datensätzen in Konvergenz mit proteomischen, und metabolischen Datensätzen.

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Probenaufbereitung am ATTO

Viele der heute gängigen „Workflows“ zur Bearbeitung von mikrobiellen Daten wurden von dieser Gruppe entwickelt, wodurch diese Gruppe nicht nur internationale Relevanz besitzt, sondern auch zu den Koryphäen im Bereich der Mikrobiologie und Bioinformatik gehört.

Erfolge & Aussichten

Im Rahmen meines Forschungsaufenthalts konnte ich dank des Hutlab praktische Erfahrungen mit unterschiedlichsten Bioinformatik-Tools sammeln, die für die eingehende Analyse von High-Throughput-Sequenzierungsdaten (bspw. Metagenomik) verwendet werden. Dabei habe ich Tools der Biobakery Pipeline wie MaAsLin2, HUMAnN, and MetaPhlan4 kennengelernt und selbst angewendet, zusammen mit einem extensiven Portfolio an Tools für weitere Downstream-Analyse.

Die Verwendung von metagenomischen Daten hat diverse Vorteile, einschließlich der Metaanalyse mit metabolischen Daten, um neue Erkenntnisse und ein besseres Verständnis von Ökosystemfunktionalität zu erlangen. Der Einsatz dieser Tools hat mir ermöglicht tiefere Einblicke zu erlangen wie mikrobielle Gemeinschaften in den Tropen auf Umweltstressoren reagieren können.

Ich habe nicht nur neues technisches und faktisches Wissen erworben, sondern konnte mir auch verschiedene Programmierkenntnisse aneignen, die mir in Zukunft in meinem Fachbereich von großem Nutzen sein werden. Was meine Projektergebnisse angeht, so haben wir Parallelen zu früheren Erkenntnissen gewonnen, die meine ursprünglichen Hypothesen stützen, dass sich Saisonalität und Ökosystem (Weißsand-Wälder vs Terra Firme Wälder) massiv auf die Zusammensetzung und Funktionalität von Mikrobiomen im Amazonas auswirken. Gleichzeitig konnten wir tiefere Einblicke in die Funktionsweise mikrobieller Gemeinschaften in den Tropen generieren, was ein großartiges Thema für eine zukünftige Veröffentlichung im Rahmen meiner Doktorarbeit sein wird.

Generell sind unsere Erkenntnisse dahingehend innovativ, dass es sich um die bisher erste Studie zu Regenwald-Metagenomik handelt, was eine notwendige Grundlage für Folgestudien ist. Die gewonnen Erkenntnisse bieten daher neue Einblicke in Regenwaldsysteme, die belegen wie stark Mikroben an der Regulierung von tropischen Stoffkreisläufen beteiligt sind, und, dass diese Systeme vielleicht doch nicht so stabil sind wie wir es bisher angenommen haben. Abseits des für mein Feld wissenschaftlich-relevanten Outputs, konnte ich zudem neue Methoden erlernen, die mir nachhaltig bei meinem weiteren akademischen Werdegang von Hilfe sein werden.

Auch die Kontakte die ich in wissenschaftlicher Hinsicht knüpfen konnte, bleiben hoffentlich lange bestehen, und ich stehe noch in regelmäßigem fachlichen Kontakt mit meiner Gastgruppe, dem Hutlab. Abgesehen davon habe ich eine komplett neue Arbeitskultur und so viele inspirierende Wissenschaftler kennengelernt, dass meine eigene Motivation gesteigert wurde, und meine Leidenschaft für die Wissenschaft neu entflammt wurde.

Land & Leute

Ich habe versucht, meine Zeit optimal zu nutzen; heißt viel Arbeit unter der Woche und Zeit zum Erkunden an den Wochenenden. Während meiner Zeit in Boston habe ich viele neue Leute in Eigeninitiative kennengelernt; war zum Whale-Watching, Baseball, in Museen wie dem Isabella Stewart Gardner und Peabody Essex, und in Salem Neuengland.

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Das berühmte "House of Seven Gables" in Salem,  Massachusetts

Und obwohl Boston eine sehr große und teure Stadt ist, hat es sich doch manchmal wie ein Dorf angefühlt, vor allem mit all den anschaulichen Häusern im Kolonialstil und deren gepflegten Vorgärten. Gewohnt habe ich selbst in einem Airbnb im Außenbezirk von Boston, und hatte das Glück wundervolle Hosts zu haben.

Was mich am meisten überrascht hat (neben den hohen Lebensmittelkosten) war allerdings wie unglaublich freundlich und höflich die Menschen in den USA sind. Besonders in den ersten Wochen hat mich dabei die Begrüßungsfloskel “How are you” ins Stolpern gebracht, welche wie eine freundliche Einladung zum Smalltalk ist. Auch die Multikulturalität des Landes war mir bisher nicht so bewusst, und diese Teile der Kultur zu sehen, hat in mir ein komplett neues kulturelles Verständnis für die USA geschaffen.

Es war großartig mitzuerleben, wie gut Multikulturalität funktionieren kann, und wie selbstverständlich Andersartigkeiten oder “Uniqueness” in Boston angenommen und akzeptiert wurden. Ich hatte außerdem das Glück in einer fantastischen Wohngemeinschaft zu sein, mit Menschen die meine Andersartigkeiten – meine Neurodiversität und mein Queer-sein – nicht nur respektiert, sondern sogar zelebriert haben.

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Panorama der Boston Skyline

Allgemein war ich “enamored” von all den Möglichkeiten die einem zur Selbstverwirklichung geboten wurden. Sei es kulturelle Fortbildung in Museen, Hands-on Crafting im lokalen Buchladen, Queere Kulturprogramme im örtlichen Café, Wandern in der wunderschönen Natur von Neuengland, die düstere Geschichte von Orten wie Salem, die Einigkeit die man bei sportlichen Ereignissen wie Baseball oder American-Football miterlebt, oder das Erkunden der lokalen marinen Fauna. Es findet sich etwas für jeden Geschmack, und ich kann nur sagen: Nutzt die Zeit auch zum Erleben.

Fazit & Danksagung

Nebst den fachlichen Erfolgen die ich verbuchen konnte (neue Fertigkeiten, und Grundlage für neues Manuskript in spe.), konnte ich außerdem neue wissenschaftliche Kontakte für meine Zukunft sowie private Freundschaften knüpfen. Daher möchte ich mich bei meiner Gastinstitution – der Harvard T.H. Chen School of Public Health – sowie meiner Gastgruppe für den herzlichen Empfang, und die hervorragende Betreuung während meines Aufenthalts bedanken.

Mein besonderer Dank gilt Kelsey Thompson, Xochitl Morgan, Will Nickols, Eric Franzosa, Curtis Huttenhower und dem Rest der Gruppe dafür, dass sie immer ein offenes Ohr für meine Fragen hatten, für die warmherzige Betreuung, sowie den kritischen und wissenschaftlichen Input und Austausch, der mich zu einem besseren Wissenschaftler gemacht hat.