Forscher veröffentlichen erstes Skorpiongenom seiner Art

Ein Forscherteam der UConn hat in Zusammenarbeit mit Carlos Santibanez-Lopez von der Western Connecticut State University das erste Genom auf Chromosomenebene des Wüstenhaarskorpions erstellt – eines typischen Bewohners der Mojave- und Sonora-Wüsten Nordamerikas und des größten auf dem Kontinent gefundenen Skorpions.

Obwohl über 100.000 Arten von Spinnentieren bekannt sind, konzentrierte sich die Genomforschung bisher vorwiegend auf zwei Gruppen – Spinnen und Zecken –, während sich die Genomforschung an Skorpionen vor allem auf die große Familie der Buthidae bezog.

Die Arbeit des UConn-Teams mit Hadrurus arizonensis – einem einzelgängerischen und nachtaktiven Spinnentier, das bis zu 15 Zentimeter lang werden kann – beschreibt das erste zusammengestellte und annotierte Genom einer Art aus der kleineren Skorpionfamilie Hadruridae.

Ihre Arbeit stellt zudem die erste Genomzusammenstellung auf Chromosomenebene eines Skorpions aus beiden Familien dar. Sie trägt dazu bei, eine entscheidende Lücke im genomischen Wissen über Skorpione zu schließen, Licht auf die evolutionäre Entwicklung und Diversifizierung von Spinnentieren zu werfen und Studien in der vergleichenden und funktionellen Genomik voranzutreiben.

Das Team veröffentlichten ihre Arbeit in der Ausgabe vom Mai 2024 der Zeitschrift Genombiologie und Evolution.

Doch ebenso bemerkenswert wie die Veröffentlichung dieser ersten Genomforschung ihrer Art ist vielleicht das Forschungsteam selbst – eine bunt gemischte Gruppe von Wissenschaftlern in einem intensiven Postgraduiertenprogramm, die das letzte Jahr in Storrs verbracht haben, um einen Schnellkurs in praktischen Fertigkeiten zu absolvieren, während jeder von ihnen daran arbeitete, seinen eigenen Platz in der Forschungswelt zu finden.

„Vielfältige Erfahrungen“

Zwar hat jeder der acht Wissenschaftler des ersten Jahrgangs des von der National Science Foundation geförderten Research and Mentoring for Postbaccalaureates-Programms (RaMP) der UConn seine eigenen, einzigartigen Interessen, doch die Gründe, warum sie nach Abschluss ihres Grundstudiums – manche an der UConn, manche anderswo – im Frühjahr 2023 an dem Programm teilnehmen wollten, sind ähnlich.

Jennifer Santiago Membreño und Aviel Rodriguez haben beide an der Universität von Puerto Rico ihren Abschluss gemacht, wo sie aufgrund massiver Störungen durch den Hurrikan Maria und die COVID-19-Pandemie im Rahmen ihres Studiums nur eingeschränkt wertvolle Forschungserfahrung sammeln konnten.

„Es war eine ziemlich turbulente Zeit“, sagt Santiago Membreño. „Das Leben wurde ständig angehalten.“

Samuel Pring, der die Bucknell University besuchte, interessierte sich für die RNA-Forschung, hatte jedoch an seinem kleinen College in Pennsylvania weniger Möglichkeiten, Kurse zu besuchen und seine Forschungsanstrengungen auszuweiten.

Wie viele andere Bachelorstudenten mussten auch Adam Glendening (Abschlussjahr 2023, CLAS) und Carolina Jara (Abschlussjahr 2023, CLAS) neben dem Studium arbeiten, sodass ihnen weniger Zeit für Forschungsarbeiten und unabhängige Projekte blieb.

„Nach dem Abschluss stellt sich heraus, dass Landschaftsgestaltung an vielen Orten nicht als praktische Erfahrung akzeptiert wird“, sagt Glendening.

Samuel Hilliman ’23 (CLAS) interessierte sich während seines Studiums an der UConn für die Forschung, ihm fehlte jedoch die praktische Erfahrung, die zur Entwicklung seiner eigenen Interessen erforderlich war.

Meridia Jane Bryant, Absolventin der University of Kansas, stellte fest, dass sich ihr Leben und ihre Forschungsinteressen nach der Geschlechtsumwandlung während ihres Studiums veränderten – sie wollte einen neuen Weg einschlagen und sich mehr auf die Bioinformatik konzentrieren, verfügte jedoch nicht über die erforderliche Erfahrung.

Als Asher Coello (CLAS, Abschluss 23) von einem regionalen Campus an die UConn Storrs wechselte, hatte er Schwierigkeiten, in der Forschungsgemeinschaft Fuß zu fassen.

„Ich kam immer nur in den Büchern vor“, sagt Coello. „Ich war nie wirklich im Labor und habe dort etwas gemacht.“

Ihre Geschichten sind Elizabeth Jockusch vertraut, einer Professorin am Fachbereich für Ökologie und Evolutionsbiologie der UConn sowie der leitenden Forscherin und Mentorin von RaMP an der UConn.

„Wir sind eine Forschungsuniversität der Stufe 1“, sagt Jockusch. „Hier gibt es Forschungsmöglichkeiten. Und dennoch sehen wir, wie viele Studierende diese nicht nutzen können. Es ist also klar, dass ein enormer Bedarf besteht.“

„Der Grund, warum mich das Programm angesprochen hat – der Grund, warum wir alle zusammengebracht und das Stipendium beantragt haben – ist im Wesentlichen, dass wir den Bedarf unserer Studenten erkennen.“

Im Jahr 2022 erhielten Jockusch und ein Team aus Fakultätsmitarbeitern diesen Zuschuss – in Höhe von knapp 3 Millionen US-Dollar – vom RaMP-Programm in den Biowissenschaften der National Science Foundation. Das Programm lädt zur Einreichung von Vorschlägen für den Aufbau von Netzwerken ein, die Vollzeitforschung, Mentoring und Ausbildung für Hochschulabsolventen unterstützen, die während des Studiums nur wenige oder keine Forschungs- oder Ausbildungsmöglichkeiten hatten.

Zu den Zielen des NSF-Finanzierungsprogramms gehört unter anderem die Förderung einer weltweit wettbewerbsfähigen und kulturell vielfältigen MINT-Belegschaft durch die Anwerbung und Ausbildung von Personen für eine Reihe potenzieller Karrierewege in den Biowissenschaften.

„Das ist vielleicht übertrieben, aber es fühlt sich an wie eine letzte Chance, Menschen in die MINT-Bildungskette einzubinden“, sagt Jockusch. „Wenn man seinen Abschluss macht und seine Berufserfahrung im Landschaftsbau liegt, weil man damit seine Rechnungen bezahlt hat, ist es viel schwieriger, einen solchen Job zu bekommen. Stattdessen kann man hierher kommen, ein Jahr lang diese vielfältigen Erfahrungen sammeln und dann weitermachen.“

Vorherige Laborerfahrung ist für RaMP-Stipendiaten keine Voraussetzung und das NSF-Stipendium wird letztendlich drei aufeinanderfolgende einjährige RaMP-Kohorten an der UConn unterstützen.

„Das Baby schwimmt“

Die ersten acht Stipendiaten begannen ihre Arbeit im August 2023 – und es gab keine Eingewöhnungsphase oder Eingewöhnungszeit.

„Meine Lieblingsallegorie, die ich immer wieder verwende, ist, dass ich mich wie eines der Babys im YMCA fühle, die sie einfach in den Pool werfen“, sagt Coello. „Weil es sehr beängstigend aussieht und das ist es im Moment wahrscheinlich auch. Aber das Baby schwimmt.“

Innerhalb des ersten Monats des RaMP-Programms hatte die Kohorte erfolgreich ihren ersten Satz DNA-Sequenzen zusammengestellt.

Sie lernten schnell, wie man Proben handhabt und DNA extrahiert. Sie lernten, wie man Hochdurchsatzsequenzierungen durchführt und Genome zusammensetzt. Sie lernten, wie man ein Genom annotiert und die Positionen einzelner Gene findet. Sie bekamen einen Schnellkurs in Bioinformatik, einer Disziplin, die Biologie und Informatik verbindet.

Neben ihren neu erworbenen Laborkenntnissen erlernten die Wissenschaftler auch soziale Kompetenzen, die für ihren zukünftigen Forschungserfolg entscheidend sind. Sie lernten etwas über Zeitmanagement, die Priorisierung von Aufgaben und Arbeitsbelastungen, das Anfertigen ausführlicher Notizen und die Bedeutung von Netzwerken. Und sie starteten ihre eigenen Projekte in angeschlossenen Fakultätslaboren sowie im Gruppenprojekt zur Sequenzierung des Skorpiongenoms.

Hilliman und Pring arbeiten beide im Yuan Lab. Pring erforscht die Evolution der Blütenstruktur, insbesondere die Entwicklung der bilateralen Blütensymmetrie, und Hilliman arbeitet an der Manipulation der Blütenpigmentierung mittels Gentechnik.

In Jockuschs Labor arbeitet Coello an genetischen Neuheiten bei der Riesenwanze Oncopeltus fasciatus. Er versucht, bestimmte Gene abzuschalten, um zu sehen, was sie tun und welche genetische Bedeutung sie haben könnten. Bryant hingegen entwickelt ein Programm zur Identifizierung neuer Gene.

„Diese Gene stammen aus der Gruppe, für die Sie sich interessieren. Wir könnten ein Programm entwickeln, das den Leuten hilft, sie zu finden. So können sie selbst erforschen, was sie sind und was sie tun, ohne alle bioinformatischen Schritte durchlaufen zu müssen, um sie überhaupt zu finden“, sagt Bryant. „Denn es gibt wirklich nichts, das das kann.“

Im Wegrzyn-Labor untersucht Jara die Krankheitsresistenz zweier Baumarten – Amerikanische Buche und Butternuss –, während Glendening an einem Projekt über die Wollige Adelgid der Hemlocktanne arbeitet, einem invasiven Schädling, der Hemlocktannen befällt. Santiago Membreños Arbeit im Kanadia-Labor beschäftigt sich mit der Erforschung der Rolle des kleinen Spleißosoms. Und im O’Neill-Labor untersucht Rodriguez Chromosomen und setzt Genome zusammen, insbesondere für den Muntjak, eine Hirschart, und das Wallaby, ein kleines Beuteltier, das dem Känguru ähnelt.

Weniger als ein Jahr, nachdem sie ins kalte Wasser geworfen wurden, schwimmen alle Wissenschaftler bereits wieder.

„Von Null an“

Weniger als drei Monate nach Einreichung ihres Artikels über die Genomassemblierung des Wüstenhaarskorpions wurde der Artikel nicht nur angenommen, sondern auch veröffentlicht.

„Als es dann wirklich losging, wir es veröffentlichten und es so schnell angenommen wurde, dachte ich nur: ‚Wow!‘“, sagt Coello.

„Ich habe meine Mutter angerufen“, sagt Glendening.

„Wir haben einfach zufällig eine fantastische Arbeit geschrieben“, sagt Bryant.

Die Gruppe arbeitet derzeit an einer zweiten, längeren Arbeit, da sie im Juli das Ende ihres einjährigen Programms erreicht. Da sie durch ihre individuellen Projekte jeweils neue Fähigkeiten erlernt haben, brachte jeder von ihnen neues Fachwissen in die Gruppenarbeit ein – eine Veränderung, die ihre Mentoren seit Beginn des Programms bemerkt haben.

„Am Anfang war es so, als ob jeder versucht hätte, sein eigenes Ding durchzuziehen“, sagt Jockusch, „und jetzt sehe ich, dass sie sich gegenseitig sehr dabei helfen, ihre Probleme zu lösen.“

„Es begann damit, dass die Mentoren sprachen und wir ihnen Dinge zeigten, und jetzt tun sie es“, sagt Jill Wegrzyn, außerordentliche Professorin für Ökologie und Evolutionsbiologie und Mentorin im RaMP-Programm. „Es ist unglaublich bereichernd zu sehen, wie die Leute in einem Jahr so ​​viel lernen, und das ist etwas, was ich im Rahmen des Programms wirklich genieße. Es ist einfach wirklich cool zu beobachten, wie das Projekt vom Labor zur ziemlich komplexen Bioinformatik fortschreitet, um diese Genome zusammenzusetzen.“

„Wir hatten viel Spaß.“

Während die meisten Mitglieder der Kohorte noch immer überlegen, was ihre nächsten Schritte nach RaMP sein werden, hat ihnen die Erfahrung dabei geholfen, Türen zu öffnen, die ihnen nach Abschluss ihres Grundstudiums möglicherweise verschlossen erschienen wären.

„Bei unserem Projekt waren wir alle von Null an dabei und sind jetzt da, wo wir sind“, sagt Pring. „Wir haben wirklich ein Gefühl dafür bekommen, wie jeder Teil dieses gesamten Prozesses aussieht – vom Einbringen der DNA in den Sequenzer bis zur Zusammenstellung des Genoms. Für mich war es schön zu sehen, wie jeder Schritt aussieht, besonders, als wir in der Phase waren, in der wir versuchten herauszufinden, welchen Weg wir einschlagen wollten.“

„Die ganze Erfahrung hilft mir wirklich dabei, zu entscheiden, was ich angehen möchte.“