Ein Mann, der in den 1990er Jahren geboren wurde, die Schule abbrach und seinen Job aufgab, betrieb wissenschaftliche Forschung für sein Hobby, und seine Ergebnisse wurden in Science veröffentlicht

Schon als Kind beobachtet er leidenschaftlich gern Insekten und ist besonders von Schmetterlingen fasziniert. Seine ganze Familie stellte für ihn Netze zum Insektenfangen her. Als Erwachsener bereiste er zu Studienzwecken vier Länder und entdeckte das Geheimnis der Regulierung der Farbe von Schmetterlingsflügeln. Der zugehörige Artikel wurde am 6. Dezember in Science veröffentlicht.

Geschrieben von | Ruffy

Vom Grundstudium über das Doktoratsstudium bis hin zur Postdoc-Arbeit hat Tian Shen vier Länder besucht und an berühmten Universitäten in Australien, Japan, Singapur und den Vereinigten Staaten studiert und geforscht. Unverändert geblieben ist lediglich seine Faszination für Schmetterlinge.

Besonders die Farbe der Schmetterlingsflügel, die unter der Sonne buntes Licht reflektieren können, von tiefem Blau bis zu warmem Rot, von geheimnisvollem Lila bis zu schillerndem Gold. Diese Farben erzählen wie geheime Worte, die zwischen den Flügeln verborgen sind, das Geheimnis des Lebens. Diese Farben dienen nicht nur der Dekoration; Sie sind das Ergebnis der Interaktion zwischen Schmetterlingen und ihrer Umwelt, ein Meisterwerk der natürlichen Selektion und ein Ausdruck biologischer Anpassungsfähigkeit.

Am 6. Dezember veröffentlichte Tian Shen, Postdoktorand an der National University of Singapore, als Erstautor eine Forschungsarbeit in Science, in der er das Geheimnis der Regulierung der Farbe von Schmetterlingsflügeln enthüllte.

Um 8 Uhr Eastern Time nahm „Fanpu“ Kontakt mit Tian Shen auf. Als die Kamera eingeschaltet wurde, lächelte die andere Partei schüchtern und sagte lächelnd: „Schon okay, ich bin nicht nervös.“

Tian Shen | Quelle: Von mir bereitgestellt

Fünf Jahre harte Arbeit

Im August 2019 kam Tian Shen mit einem Koffer an die National University of Singapore und hat seitdem die Federn seiner Doktorandenreise fest im Griff. Er selbst sagt: „Ich habe es in diesen fünf Jahren nie gewagt, eine Pause einzulegen. Meine Eltern habe ich erst kennengelernt, als ich meinen Doktortitel in der Tasche hatte und sie mich besucht haben.“

Kantine, Wohnheim und Labor sind die drei Anlaufstellen von Tian Shen. Seine Forschung im Labor von Antonia Monteiro an der National University of Singapore konzentriert sich auf die genetischen, entwicklungsbedingten und evolutionären Mechanismen des Flügelmusterpolymorphismus bei Schmetterlingen und Motten.

In der Biologie bezieht sich Polymorphismus auf die unterschiedliche Morphologie von Organismen in derselben natürlichen Population in einer sich verändernden Umgebung, wie beispielsweise im klassischen Fall der „industriellen Melanisierung“ des britischen Birkenwicklers.

Dieser Fall wurde im Biologiebuch der High School erwähnt: Vor der industriellen Revolution in Großbritannien waren Birkenspinner meist weiß, um mit den weißen Flechten auf den Baumstämmen zu verschmelzen. Nach der industriellen Revolution nahm die Umweltverschmutzung zu, und der Ruß tötete Flechten ab und schwärzte Baumstämme. Dadurch wurde der Birkenspinner der schwarzen Umwelt ausgesetzt und anfälliger für Vogelfraß. Zu dieser Zeit tauchte in der Population ein schwarzer Birkenwickler auf. Da die schwarze Art in einer durch Ruß verschmutzten Umgebung besser versteckt ist und weniger wahrscheinlich von Raubtieren entdeckt wird, hat sie innerhalb weniger Jahrzehnte die gesamte Population übernommen.

Polymorphismus entsteht durch Veränderungen in der DNA-Sequenz, die zu mehreren Allelen am gleichen Locus führen und somit unterschiedliche Phänotypen erzeugen. Der Grund, warum der Melanin-Birkenwickler von Generation zu Generation vererbt werden kann, ist Polymorphismus.

Neben dem Birkenspinner gibt es zahlreiche Schmetterlinge und Motten, deren Entwicklung sich über 100 Millionen Jahre erstreckte und die ähnliche Flügelfarbpolymorphismen aufweisen, wie etwa die blattförmige Mimikry des Totenblattfalters und die schwarz-weiße Farbe des Seidenspinners.

In einer Studie zum Polymorphismus der Flügelmuster von Schmetterlingen wurde eine Genomregion als evolutionärer Hotspot identifiziert.

Diese Genomregion umgibt ein proteinkodierendes Gen namens „Cortex“. Im letzten Jahrzehnt wurde in zahlreichen Genom-Assoziationsanalysen festgestellt, dass in den 100 Millionen Jahren der Evolution der Schmetterlingsinsekten die Bildung der Melanin-bedingten Flügelmustervielfalt untrennbar mit dieser Genomregion verbunden ist. Daher haben Wissenschaftler immer geglaubt, dass der Kortex das Schlüsselgen in dieser Genomregion ist, das steuert, ob Melanin produziert wird oder nicht.

Allerdings können mit einer genomweiten Assoziationsanalyse nur mit statistischen Methoden Genombereiche ermittelt werden, die mit unterschiedlichen Flügelfarben in Zusammenhang stehen, jedoch lässt sich nicht genau bestimmen, welches Gen die Farbe steuert.

Zahlreiche widersprüchliche Beweise lassen Zweifel aufkommen, ob die Hirnrinde wirklich der Schlüssel zur Kontrolle der Melaninbildung ist. Beispielsweise zeigten nach dem Ausschalten des Cortex-Gens nur etwa 10 % der Personen offensichtliche Unterschiede. Dies inspirierte Tian Shen dazu, neben der Hirnrinde auch die Funktionen einiger anderer Gene in dieser Genomregion zu testen, darunter das zuvor ignorierte nicht-kodierende Gen miRNA – dies war Tian Shens Forschungs-„Komfortzone“. „Als ich als Doktorand begann, die Entwicklung der Flügelmuster von Schmetterlingen zu untersuchen, bemerkte ich unterbewusst, dass sich in dieser heißen Genomregion neben dem Cortex-Gen tatsächlich miRNA befand, die jedoch ignoriert worden war.“

miRNAs sind kleine nicht-kodierende RNAs, die zwar im Gegensatz zu den meisten Genen keine Proteine ​​kodieren, aber dennoch eine wichtige Rolle bei der Genregulation spielen, indem sie die Expression von Zielgenen hemmen.

In dieser Studie entdeckte Tian Shen eine miRNA – mir-193 – die sich direkt neben dem Cortex-Gen befindet. Also nutzte er das Gen-Editierungswerkzeug CRISPR-Cas9, um Mir-193 bei drei stark divergierenden Schmetterlingsarten auszuschalten. Die Studie ergab, dass nach dem Ausschalten von Mir-193 die schwarzen und dunklen Flügelfarben beim afrikanischen Schmetterling (Bicyclus anynana), dem orientalischen Kohlweißling (Pieris canidia) und dem Jade-Schwalbenschwanz (Papilio polytes) verschwanden und nur weiße/helle Farben übrig blieben.

Vergleich der Schmetterlingsfarben vor und nach dem Ausschalten von Mir-193 | Quelle: Papier

Das Ausschalten von vier anderen proteinkodierenden Genen in derselben Genomregion, einschließlich der Hirnrinde, hatte keine Auswirkungen auf die Flügelfarbe. Kontrollexperimente zeigten, dass Mir-193 und nicht Cortex oder andere nahe gelegene proteinkodierende Gene der Schlüssel zur Kontrolle des Polymorphismus der Melanin-Flügelfarbmuster bei Schmetterlingsinsekten ist.

Da Mir-193 nicht nur bei Schmetterlingen, sondern im gesamten Tierreich einschließlich des Menschen vorkommt, arbeitete das Team zur Ausweitung der Allgemeingültigkeit der Forschungsergebnisse mit der University of Michigan zusammen, um die Funktion von Mir-193 bei Nicht-Schmetterlingen – den Fruchtfliegen – zu testen. Überraschenderweise steuert Mir-193 auch die Melaninproduktion bei Fruchtfliegen, was darauf schließen lässt, dass Mir-193 sogar die Farbe bei Organismen außerhalb der Ordnung der Schmetterlinge steuern kann.

„An dieser Studie sind viele Personen beteiligt, darunter Mitglieder meines Labors und des Labors von Antonia Monteiro sowie des Labors von Cheng Kumiko an der Universität Tokio (wo Tian Shen seinen Master macht), des Labors von Fujiwara Haruhiko und des Labors von Patricia Wittkopp an der Universität von Michigan.“

Schmetterlinge schützen, Artikel schützen

Tian Shen bei einem Vortrag | Quelle: Von mir bereitgestellt

Warum hat Tian Shen in diesen fünf Jahren nicht gewagt, sich auch nur einen Moment auszuruhen?

Weil er den Schmetterling und den Artikel schützen möchte.

Im Jahr 2020 wurden die Schmetterlinge im Labor von Pilzen befallen und starben einer nach dem anderen, was dazu führte, dass viele Forschungsprojekte auf Eis gelegt und halb geschriebene Artikel unvollendet blieben. Trotz mehrerer Hygiene- und Desinfektionsmaßnahmen im Labor starben weiterhin gruppenweise Schmetterlinge. Glücklicherweise war Tian Shens Schmetterling wohlbehalten, aber diese Gruppe „kleiner Elfen“ machte ihn den ganzen Tag nervös.

Also plante er, ein neues Zuhause für den Schmetterling zu finden. Zufällig hatte ein indischer Professor auf derselben Etage ein leeres Zimmer, also fragte Tian, ​​ob er es sich ausleihen könne. „Dank ihm habe ich diesem Professor am Ende des Artikels ausdrücklich meinen Dank ausgesprochen.“

Als nächstes ging Tian Shen jeden Tag, wenn er den Schlafsaal verließ, als Erstes in das geliehene Zimmer, um entsprechende Experimente durchzuführen, „bevor er kontaminiert wurde“. Nach Abschluss der Experimente kehrte er in sein Labor zurück, um andere Dinge zu erledigen. Wenn ich abends in meine Wohnung zurückkehre, wasche ich mich als Erstes, um eine Ansteckung der Schmetterlinge am nächsten Tag zu vermeiden.

Während der Ferien wurde Tian Shen zum „zurückgelassenen Experimentator“ im Labor und half auch bei der Pflege der experimentellen Schmetterlinge seiner Mitstudenten. Glücklicherweise überlebten alle Schmetterlinge unter seiner Obhut.

Während Tian Shen in Singapur intensive Experimente durchführte, erzielten auch zwei amerikanische Teams, die Schmetterlinge erforschten, große Durchbrüche auf demselben Forschungsgebiet. Sie fanden heraus, dass die lange nicht-kodierende RNA „Ivory“ auch die Melaninproduktion in derselben Hotspot-Genomregion regulieren kann.

Die Atmosphäre in der akademischen Gemeinschaft ist relativ offen und integrativ. Als wir erfuhren, dass die andere Partei ebenfalls forschte, vereinbarten die drei Labore, im Februar dieses Jahres gleichzeitig einen Vorabdruck zu veröffentlichen. Ihre beiden Artikel wurden im August bzw. Oktober in PNAS (Proceedings of the National Academy of Sciences) veröffentlicht. Ich ging hin, um ihnen zu gratulieren. Tian Shen sagte zuversichtlich: „Aber ich bin sicher, dass unsere Arbeit detaillierter und vollständiger ist.“

Später entdeckte Tian Shen, dass Elfenbein tatsächlich der Vorläufer von Mir-193 ist. Auch hier gibt es eine interessante Folge. Damals wollte Tian Shen ein weiteres Experiment hinzufügen, um zweifelsfrei zu beweisen, dass „Elfenbein der Vorläufer von Mir-193 ist“, wollte den Artikel aber auch so schnell wie möglich verschicken. Er konnte sich nicht entscheiden und ging deshalb zu seinem Vorgesetzten, um darüber zu sprechen. Schließlich beschloss er, es zunächst bei der Zeitschrift einzureichen und dann die Zeit der ersten Überprüfungsrunde zu nutzen, um das zusätzliche Experiment abzuschließen.

„Ich denke, dass das von mir hinzugefügte Experiment sehr wichtig ist, um eine bestimmte Schlussfolgerung zu stützen. Selbst wenn der Gutachter es nicht angesprochen hat, hoffe ich, dieses Ergebnis im nachfolgenden Überprüfungsprozess hinzufügen zu können, da ich gerne Gutachter meines eigenen Artikels bin und hoffe, dass meine Arbeit wasserdicht ist.“

Und tatsächlich lobten alle drei Gutachter diese Leistung nach der ersten Überprüfungsrunde in den höchsten Tönen. Einer der Gutachter schlug vor, ein Experiment hinzuzufügen, um direkt zu beweisen, dass der Vorläufer von Mir-193 Elfenbein ist, damit die gesamte Beweiskette vollständiger wird.

Tatsächlich hatte Tian Shen zuvor bereits die zusätzlichen Experimente abgeschlossen und schickte den zweiten Entwurf nach Erhalt der Überprüfungskommentare schnell zurück. „Ich hatte sogar Angst, dass die Gutachter denken würden, wir würden schummeln“, sagte Tian Shen mit einem Lächeln.

Der Artikel wurde schnell angenommen und von den Gutachtern sehr gut bewertet. „Dies wird erhebliche Auswirkungen auf das Gebiet der Schmetterlingsflügelmuster und allgemeiner auf die evolutionäre Entwicklung haben und den Grundstein für eine Reihe neuer Studien zu diesem Thema legen.“ „Diese Studie macht deutlich, dass wir uns bei Studien zur genomweiten Assoziationsanalyse nicht nur auf proteinkodierende Gene konzentrieren können.“

Mein Großvater hat mir schon als Kind ein Fischernetz gemacht.

Tian Shen wurde 1993 in Qinhuangdao in der Provinz Hebei geboren. Er interessiert sich seit seiner Kindheit sehr für Insekten. Während andere Kinder noch wegen ihres Spielzeugs weinten, konnte er einen halben Tag allein im kleinen Blumenbeet verbringen und voller Interesse Schmetterlinge und Motten beobachten. Als seine Eltern ihn mit Schlamm bedeckt sahen, gaben sie ihm nicht nur keine Schuld, sondern kauften ihm auch viele illustrierte Bücher und Schmetterlingsexemplare.

Da seine Mutter in Japan lebte und sein Vater mit seiner Bankarbeit beschäftigt war, lebte er seit seiner Kindheit bei seinen Großeltern. Sein Großvater baute für ihn viele Netze zum Schmetterlingsfangen. Zuerst benutzten sie Bambusstangen, aber er wusste nicht, wie viele davon zerbrochen waren. Später ersetzte er sie einfach durch Stahlrohre, „die einfach zu schwer zum Anheben waren.“

Bis zur High School blieb Biologie sein Lieblingsfach. „Wenn ich Hausaufgaben mache, hebe ich mir die Biologie-Hausaufgaben immer bis zum Schluss auf, genauso wie ich mir leckeres Essen immer bis zum Schluss aufheben möchte.“ Im Juni 2012 wurde Tian Shen an der Nankai-Universität zugelassen. Biologie war seine erste Wahl, aber das Ergebnis widersprach seinen Erwartungen und er wurde zu seiner zweiten Wahl zugelassen – Stomatologie.

Tian Shen war sehr deprimiert, weil er sein Wunschfach Biologie nicht studieren konnte. Also beschloss er zwei Monate nach seinem Schuleintritt, die Schule abzubrechen und sich auf die Vorbereitung auf den IELTS und die Bewerbung bei ausländischen Schulen zu konzentrieren. Im Februar des folgenden Jahres ging Tian Shen nach Australien, um Biologie zu studieren, und schloss sein Studium an der Australian National University mit einem Bachelor of Science ab. Da er viele Jahre von seiner Mutter getrennt war, entschied er sich bei der Überlegung, ein Masterstudium aufzunehmen, für die Universität Tokio in Japan, um dort im Labor von Cheng Kumiko miRNA-Forschung zu betreiben.

In Japan wird ein Masterprogramm als „Pre-Doctoral Program“ bezeichnet und dauert in der Regel 2 Jahre. Nach Abschluss des Masterstudiums können die Studierenden mit dem „Post-Doctoral-Programm“ fortfahren, das in der Regel 3 Jahre dauert und einem Doktorandenstudium in China entspricht.

Nach seinem Masterabschluss war sich Tian Shen nicht sicher, ob er sein Doktoratsstudium oder seine Berufstätigkeit fortsetzen sollte. Daher bewarb er sich um eine Promotion mit dem Ziel, am weltberühmten „Butterfly Laboratory“ zu promovieren, und bewarb sich auch um Positionen in der Industrie. Daraufhin erhielt er Zulassungsangebote von der Universität Tokio, der Universität Cambridge und der National University of Singapore. Zudem bot ihm eine strategische Beratungsfirma ein Friedensangebot an.

Da die Einschreibefrist für seine Promotion noch kurz bevorstand, beschloss Tian Shen, zunächst in ein Beratungsunternehmen einzusteigen und dort ein gut bezahlter und angesehener Angestellter zu werden. Den ganzen Tag in einer Kabine hoch oben im Himmel schweben, Kaffee trinken, vor dem Computer sitzen und wenn man in die Ferne blickt, kann man sogar den Kaiserpalast sehen. Ist das nicht ein wundervolles Leben? Aber Tian Shen wusste nicht, was er mit dieser Art von Leben anfangen sollte. „Erst nach einigem Ausprobieren wurde mir klar, dass meine wahre Leidenschaft die wissenschaftliche Forschung war.“

Nach dreimonatiger Arbeit beschloss Tian Shen, eine Promotion anzustreben. Doch Tian Shen war sehr hin- und hergerissen, was die Wahl zwischen der Universität Tokio, der National University of Singapore und der Universität Cambridge betraf.

Im Juli 2019 erhielt Tian Shen eine E-Mail von Antonia Monteiro, seiner Betreuerin an der National University of Singapore, mit der Frage: „Im August beginnt bald das Studium. Wann kommen Sie an?“ Also rief Tian Shen an einem sonnigen Samstag seine Eltern an, um die Angelegenheit zu besprechen, und beschloss schließlich, seinen Beraterjob, den er seit vier Monaten ausübte, aufzugeben und zum Doktorieren nach Singapur zu gehen.

Antonia Monteiro ist eine portugiesische Künstlerin, die ebenfalls von Schmetterlingen besessen ist. An einer Wand ihres Hauses befindet sich ein Schmetterlingsflügelmuster aus Mosaikfliesen, das Tian Shen sehr fasziniert. Tatsächlich hat er seit seiner Kindheit eine künstlerische Ausbildung erhalten. Während seiner Zeit auf der Mittelschule nahm er an Schulungen mit Kunstprüfungskandidaten teil. Seine Bilder waren oft die besten unter den Kunstprüfungskandidaten. „Der Lehrer hat mir sogar vorgeschlagen, die Kunstprüfung abzulegen.“

„Antonia Monteiro und ich haben uns sehr gut verstanden, und sie hat mir viel Raum gegeben, meine Talente zu entfalten. Ich habe hier vier Jahre als Doktorand und ein Jahr als Postdoktorand gearbeitet. Antonia hat mich sowohl mental als auch finanziell unterstützt. Sie hat mich bei der Forschungsförderung sehr unterstützt, und wir konnten uns gut austauschen“, dankte Tian Shen seiner Mentorin, „und ich blieb bis zu meinem Abschluss in engem Kontakt mit ihr.“

Im Oktober dieses Jahres erhielt Tian Shen das Hargitt-Stipendium der Duke University in den USA und setzt nun seine Postdoc-Forschung zur Schmetterlingsforschung im Labor von Anyi Mazo-Vargas fort. Tian Shen sagte: „Ich hoffe, (in der Zukunft) mein eigenes Labor zu gründen und weiterhin die Forschungsarbeit zu machen, die mir Spaß macht.“

Besondere Tipps

1. Gehen Sie zur „Featured Column“ unten im Menü des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“, um eine Reihe populärwissenschaftlicher Artikel zu verschiedenen Themen zu lesen.

2. „Fanpu“ bietet die Funktion, Artikel nach Monat zu suchen. Folgen Sie dem offiziellen Account und antworten Sie mit der vierstelligen Jahreszahl + Monat, also etwa „1903“, um den Artikelindex für März 2019 zu erhalten, usw.

Copyright-Erklärung: Einzelpersonen können diesen Artikel gerne weiterleiten, es ist jedoch keinem Medium und keiner Organisation gestattet, ihn ohne Genehmigung nachzudrucken oder Auszüge daraus zu verwenden. Für eine Nachdruckgenehmigung wenden Sie sich bitte an den Backstage-Bereich des öffentlichen WeChat-Kontos „Fanpu“.