Dr. Laura Helleckes: Maschinelles Lernen trifft Biotechnologie

Dr. Laura Helleckes hat an der RWTH Aachen Molekulare und Angewandte Biotechnologie studiert und ihre Doktorarbeit am Forschungszentrum Jülich erstellt. Nun arbeitet sie als Postdoctoral Fellow am „I-X Centre for AI in Science“ des Imperial College London daran, die Methoden der KI aus der Chemieverfahrenstechnik auf die Biotechnologie zu übertragen.

Frau Helleckes, das Forschungszentrum diente quasi als Startrampe für Ihren wissenschaftlichen Weg. Was hat Sie ans Forschungszentrum Jülich geführt?

Es war eine Vorlesung von Prof. Dr. Marco Oldiges an der RWTH Aachen, wo ich damals meinen Master machte, der mich ans Forschungszentrum führte. Seine Forschungen am Institut für Biotechnologie IBG-1  des Forschungszentrums stachen sehr heraus: In seiner Laborautomatisierungsgruppe nutzt sein Team Roboter, um Versuche automatisiert durchzuführen. Das hat mich total fasziniert! Schließlich kann man auf diese Weise viele einfache und repetitive Schritte auslagern und sich auf die eigentlichen wissenschaftlichen Fragestellungen fokussieren. Ich habe die Chance daher direkt genutzt und ihn nach einem dreimonatigen Forschungspraktikum im Rahmen meines Masters gefragt. In diesem hatte ich die tolle Gelegenheit, viel zu programmieren und mich stärker in Richtung Datenwissenschaften zu bewegen. Die Hochdurchsatz-Datenanalyse hat mich enorm begeistert, daher habe ich die Abschlussarbeit für den Master ebenfalls in der Gruppe von Marco Oldiges geschrieben.

Wie verlief Ihr Weg weiter?

Als sich die Möglichkeit ergab, mich in der Gruppe von Oldiges für eine Doktorarbeit zu bewerben, bin ich sehr gerne dort geblieben. Eine elementare Frage in der Biotechnologie ist: Wie lassen sich Mikroorganismen, Enzyme und Katalysatoren aus der Natur nutzen, um aus nachwachsenden Rohstoffen Chemieprodukte, Pharmazeutika und Alltagsprodukte herzustellen? Die Herausforderung dabei liegt in der schwierigen Auswahl aus der Vielzahl mikrobieller Zellfabriken, die man für so einen Prozess nutzen könnte. Welche ist die passende – etwa für ein neues Enzym in einem Waschmittel oder ein Chemieprodukt? Welche Prozessbedingungen sind nötig? Es ist schier unmöglich, alle Kombinationen zu testen. Es sind daher Versuchspläne nötig, um die beste Lösung für den Prozess zu finden. Meine Doktorarbeit war ein Zweiklang: Einerseits die Entwicklung automatisierter Experimente, andererseits die Erstellung von Algorithmen, mit denen sich anhand aktueller Daten vorhersagen lässt, welches Experiment optimalerweise als nächstes durchgeführt werden sollte.

Mit großem Erfolg: Für Ihre Doktorarbeit erhielten Sie den Helmholtz-Promotionspreis 2024 im Forschungsbereich „Erde und Umwelt“.

Es ging um die Frage: Wie lassen sich Versuche effizienter durchführen, um Bioprozesse für die Industrie zu entwickeln? Anders gesagt: Wie können wir aus Hochdurchsatzdaten Wissen extrahieren, um die Versuche zu optimieren? Meine Arbeit ist zum einen für die wissenschaftliche Exzellenz ausgezeichnet worden, zum anderen für die hohe Industrierelevanz der Algorithmen, um die Verfahren zu beschleunigen.

Wie hat Sie Ihre Forschung nach London geführt?

Bereits während der Doktorarbeit fand ich den Fachbereich maschinelles Lernen sehr spannend – dies ist ein Teilgebiet der künstlichen Intelligenz. In der Entwicklung von Bioprozessen fand KI allerdings zu diesem Zeitpunkt nur begrenzt Anwendung. Anders dagegen in der Chemieverfahrenstechnik oder bei chemischen Prozessen, hier wurde KI bereits von vielen Gruppen eingesetzt. Doch gibt es ziemlich viele Parallelen. Meine Motivation war, mich im Chemieverfahrenstechnikbereich umzuschauen und die dortigen Ansätze für maschinelles Lernen auf die Biotechnologie zu übertragen. Ich habe also nach Gruppen gesucht, die in Punkto KI besonders gut sind, und bin auf das I-X Centre for AI in Science des Imperial College London gestoßen. Hier habe ich ein Postdoctoral Fellowship – ein Konzept zwischen Postdoc und Juniorgruppenleiter mit einem unabhängigen Funding. Ich habe also Geld für dieses Forschungsvorhaben eingeworben und arbeite nun mit der Arbeitsgruppe meines Mentors, Dr. Antonio del Rio Chanona, zusammen.

Worin liegt langfristig Ihr berufliches Ziel?

Ich würde sehr gerne im akademischen Feld bleiben und mich im nächsten Schritt auf Juniorprofessuren bewerben. Ich bin jetzt in einer Übergangsphase, in der ich die Unabhängigkeit in meinem eigenen Forschungsfeld aufbaue und hoffentlich auf längere Sicht Professorin werden kann.

Wo sehen Sie Unterschiede zwischen Jülich und London in der Forschung?

Im Forschungszentrum Jülich war ich als Person, die sich mit Algorithmen beschäftigt hat, in einer experimentell ausgerichteten Laborautomatisierungsgruppe tätig. Jetzt arbeite ich in einer theoretischen Gruppe – ein Labor gibt es nicht. Das ist natürlich ein riesiger Unterschied, weil die Herangehensweisen gänzlich anders sind. Einerseits genieße ich es, weniger auf Experimente angewiesen zu sein, andererseits war gerade diese Rückkopplung zwischen mir und den experimentellen Forschenden besonders spannend: Das ist ein Aspekt, der mir mitunter ein bisschen fehlt.

Das Imperial College ist eine international bekannte Universität mit exzellenten Leuten – und in meiner Arbeitsgruppe kann ich methodisch wahnsinnig viel lernen. Auch vom internationalen Umfeld in London profitiere ich sehr. Es ist sehr bereichernd, dass durch die verschiedenen fachlichen Hintergründe der Personen unterschiedliche Fragen und Anforderungen an mich gerichtet werden.

Wollen Sie auf Dauer nach Deutschland zurück oder würden Sie lieber in England bleiben?

Ich kann mir beides vorstellen. In England ist es sehr einfach, interdisziplinäre Forschung zu betreiben – die Leute sind tendenziell etwas mutiger, was maschinelles Lernen und KI angeht, es ist daher vielleicht leichter, neue Visionen zu verfolgen. Deutschland ist manchmal etwas konservativer, bietet jedoch eine exzellente Grundlage insbesondere im Ingenieurwesen, und bildet auch im internationalen Vergleich hervorragende Personen aus, vor allem in der Bioverfahrenstechnik. Beide Länder bieten also ihre Vorteile.

Was möchten Sie jüngeren Leuten mitgeben?

Forschung lebt von Diversität und verschiedenen Mentalitäten – das gilt vor allem für die interdisziplinäre Forschung. Zwar ist das Forschungszentrum Jülich in punkto Diversität exzellent aufgestellt, dennoch kann ich es sehr empfehlen, auch mal woanders hinzugehen und etwas anderes kennenzulernen. Etwa während der Doktorarbeit: Ich war beispielsweise ein halbes Jahr für einen Forschungsaufenthalt in der Schweiz. Auch wenn die Forschungslandschaft in Deutschland toll ist, ist es hilfreich, mit einer neuen Perspektive und frischen Ideen zurückzukommen. Daher: Nutzt die Chancen, ins Ausland zu gehen, und bringt eure Erfahrungen zurück ans Forschungszentrum!