Junge Forschende entwickeln „Fungilyzer“ – den biologischen Dünger mit Zukunftspotenzial iGEM2023: neues HHU-Projekt

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Im achten Jahr nimmt ein Team von der Heinrich-Heine-Universität
Düsseldorf (HHU) an iGEM („international Genetically Engineered Machine“)
teil, einem internationalen studentischen Wettbewerb der synthetischen
Biologie. Das diesjährige Team aus HHU-Studierenden plant, mit einem
biologischen Dünger aus verbesserten symbiotischen Pilzen die
Landwirtschaft effektiver zu machen. So sollen auch negative Effekte von
Überdüngung auf die Umwelt eingeschränkt werden.

Eine besondere Schwierigkeit für die Landwirtschaft ist, dass Pflanzen
phosphathaltige Dünger nur ineffizient aufnehmen. Denn sie werden nicht
gleichmäßig über längere Zeit verteilt gegeben, sondern kurzfristig in
hoher Dosis angewendet und dann schnell weggeschwemmt. Deshalb muss
einerseits mehr Dünger als nötig verwendet werden. Andererseits
verschmutzen nicht genutzte, durch den Regen ausgewaschene Phosphate
vielerorts weiträumig natürliche Gewässer und bringen so die betroffenen
Ökosysteme aus dem Gleichgewicht.

Diesem grundsätzlichen Problem der Landwirtschaft will das HHU-iGEM-Team
2023 begegnen. Die Studierenden nutzen dazu die natürlich vorkommende
Pilzspezies Serendipita indica. Pilze unterstützen Pflanzen generell
dabei, Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. Oft leben sie in einer
symbiotischen Gemeinschaft, was bedeutet, dass die Pflanzen für ihr
Überleben zwingend auf die Pilze angewiesen sind, umgekehrt aber auch die
Pilze versorgen.

„Der Pilz hat eine natürliche Speicherfunktion für Nährstoffe, die wir
ausnutzen und ausbauen wollen, um ein Puffersystem für den angewendeten
Phosphatdünger aufzubauen“, sagt Antigoni Mouratidou, eine der drei
Teamleiter bzw. Teamleiterinnen: „Außerdem vergrößert er die
Aufnahmeoberfläche und damit die Geschwindigkeit, mit der
überlebenswichtige Stoffe für die Pflanze gespeichert werden.“

Für ihr Ziel wollen die Projektteilnehmenden nun die Transportvorgänge des
Pilzes so modifizieren, dass er auf unterschiedliche
Phosphatkonzentrationen im Erdreich dynamisch reagieren kann. Die
Experimente werden die HHU-Studierenden vorwiegend in einem
Modellorganismus – der Hefe – durchführen; die Ergebnisse können dann auf
andere Pilze übertragen werden.

„Wir wollen schlussendlich einen auf Pilzen basierenden biologischen
Dünger verfügbar machen – einen ‚Fungilyzer‘. Dieser würde verhindern,
dass Düngemittel ausgewaschen werden, weil der Pilz die überschüssigen
Phosphate bindet. Hiermit wird verhindert, dass Gewässer überdüngt werden,
was zu unerwünschtem Algenwachstum führt. Weiterhin soll der Dünger, der
universell für die meisten Nutzpflanzen angewendet werden kann, natürlich
deren Wachstum auf den Feldern verbessern”, erläutert Teamleiter Niklas
Küppers.

Die Pilze verbessern die Phosphataufnahme, indem sie bei hoher
Phosphatkonzentration im umgebenden Boden mehr Transportkanäle für den
Mineralstoff ausbilden. Hierdurch werden die Mineralstoffe besser zu den
Wurzeln geschafft, was eine schnelle Aufnahme begünstigt. So kann der Pilz
auch in nährstoffarmen Zeiten mehr von dem Phosphat, das er speichert , an
die Ackerpflanze weitergeben.

Wird der Nährstoffgehalt des Bodens zu niedrig, aktiviert sich im
Fungilyzer ein „Notfall-Gen“, wodurch der Pilz kontrolliert abstirbt .
Dadurch werden alle im Pilz gespeicherten Nährstoffe in den Boden
abgegeben und stehen jetzt der Pflanze zur Verfügung. So gestärkt, kann
sie schwierige Umweltbedingungen überleben, Missernten können vermieden
werden.

Team Fungilyzer

Das diesjährige Team besteht aus 15 Mitgliedern, die Biologie und
Biochemie studieren und an verschiedenen Punkten in ihrem Studium sind:
von Einsteigern im Bachelor bis hin zum Masterstudierenden ist alles
dabei. Unterstützt werden sie von drei begleitenden Professoren: Prof. Dr.
Michael Feldbrügge, Prof. Dr. Guido Grossmann und Prof. Dr. Matias
Zurbriggen, die ihnen mit ihrem Fachwissen zur Seite stehen. Außerdem
besuchen neun Mitglieder des letztjährigen 2022er-Teams regelmäßig die
wöchentlichen Meetings und helfen mit ihren Erfahrungen und Ratschlägen,
die Projektplanung umzusetzen und zu fördern.

Der iGEM-Wettbewerb

Der iGEM-Wettbewerb dient seit 19 Jahren dem Fortschritt der synthetischen
Biologie. Ins Leben gerufen wurde die Veranstaltung vom Massachusetts
Institute of Technology in den USA.

Jährlich treten rund 350 Teams aus dutzenden Nationen gegeneinander an,
indem sie ein Projekt von der Idee bis hin zur Realisierung in Form einer
wissenschaftlichen Arbeitsgruppe verfolgen. Hierbei soll ein synthetisches
biologisches System geschaffen werden, das aktuelle Problemstellungen
sinnvoll zu lösen versucht. Dies fördert nicht nur das relativ junge
Forschungsfeld der synthetischen Biologie, die Teilnehmenden –
Studierenden verschiedener, meist naturwissenschaftlicher, Fächer –
gewinnen auch wertvolle Erfahrung.

„Durch iGEM hat jeder die Chance, sich Skills in Bereichen wie
Wissenschaftskommunikation, Planung und Durchführung eines eigenen
Experiments anzueignen, mit denen die Projektidee letztlich umgesetzt
wird“, erklärt Teamleiter Piravinth Paraparan.

Nicht nur die Projektidee will entwickelt werden, auch die Laborplanung
und die Beschaffung von Haushaltsmitteln sind Teil des Wettbewerbs. Im
Vordergrund steht ebenfalls die Öffentlichkeitsarbeit als integraler
Bestandteil der Wissenschaft. Der Grundgedanke: Um gesellschaftliche
Probleme zu lösen, muss mit potentiellen Anwendern und Betroffenen
kommuniziert, müssen diese eingebunden werden.

Paraparan: „Bei iGEM lernte ich, ein Projekt als Ganzes zu sehen und zu
organisieren, sei es die Finanzplanung, das Zeitmanagement oder auch die
Organisation von besonderen Veranstaltungen, wie zum Beispiel Meetups.
Dazu haben die Teilnehmenden die Chance, sich mit vielen wichtigen
Kontakten wie Fachexperten und -expertinnen, Biotech-Firmen, Forschenden
und anderen Studierenden mit ähnlichen wissenschaftlichen Interessen zu
verknüpfen“, berichtet Paraparan von seinen Erfahrungen. „Auch bietet sich
die Möglichkeit , sich an wichtigen Tagungen, Messen und Konferenzen zu
beteiligen und weiterzubilden.“

Das Projekt wird Anfang November 2023 bei der „Grand Jamboree“ von iGEM in
Paris vorgestellt, diskutiert und bewertet. Bisher gewannen die
Düsseldorfer Teams fünf Goldmedaillen, eine Silbermedaille und eine
Bronzemedaille.

Ben Lenkewitz und Joëlle Boecker für das iGEM2023-Team / Redaktion: Arne
Claussen