Er ist eine Herausforderung, der sich junge Forschende seit Jahren mit Begeisterung stellen: der internationale studentische Wettbewerb für Synthetische Biologie iGEM. In diesem Jahr feiert die Bioingenieur-Weltmeisterschaft ihr 20-jähriges Jubiläum. 350 Teams aus aller Welt werden im Oktober wieder nach Boston reisen, um mit ihren Projekten gegeneinander anzutreten. Auch 14 Teams von Hochschulen und Universitäten aus Deutschland gehen mit ihren Ideen ins Rennen um die begehrten Siegerplätze, darunter junge Forschende der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU).

Mit einem biologischen Dünger aus verbesserten symbiotischen Pilzen will die Düsseldorfer Forschungsgruppe einen Platz auf dem Siegertreppchen des iGEM-Wettbewerbs erobern. Ihr Ziel ist es, Überdüngung in der Landwirtschaft zu vermeiden. Das Problem: Pflanzen können phosphathaltigen Dünger nur begrenzt aufnehmen. Meist wird aber zu viel Dünger ausgebracht, so dass der Rest weggeschwemmt wird und erneut gedüngt werden muss. Die vom Regen ausgewaschenen Phosphate gelangen dann in die Gewässer und gefährden die Ökosysteme.

Natürliche Speicherfunktion des Pilzes nutzen

Mit der Pilzspezies Serendipita indica wollen die Studierenden das Problem der Phosphataufnahme lösen – denn der Pilz unterstützt auf natürliche Weise Pflanzen dabei, Nährstoffe aus dem Boden aufzunehmen. „Der Pilz hat eine natürliche Speicherfunktion für Nährstoffe, die wir ausnutzen und ausbauen wollen, um ein Puffersystem für den angewendeten Phosphatdünger aufzubauen. Außerdem vergrößert er die Aufnahmeoberfläche und damit die Geschwindigkeit, mit der überlebenswichtige Stoffe für die Pflanze gespeichert werden“, sagt Antigoni Mouratidou, der gemeinsam mit zwei weiteren Forschenden das Team leitet.

Transportprozesse im Pilz modifizieren

Um die Phosphataufnahme zu verbessern, wollen die Projektmitglieder die Transportprozesse des Pilzes so verändern, dass er dynamisch auf unterschiedliche Phosphatkonzentrationen im Boden reagieren kann. Bei hohen Phosphatkonzentrationen im Boden bildet der Pilz dann mehr Transportkanäle für den Mineralstoff und kann ihn so besser zu den Wurzeln leiten, was wiederum eine schnellere Aufnahme und bessere Speicherung bedeutet. So kann der Pilz auch in nährstoffarmen Zeiten mehr Phosphat an die Nutzpflanze abgeben.

Notfall-Gen im Fungilyzer steuert Nährstoffabgabe

„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“, erklärt Teamleiter Niklas Küppers. Denn sobald der Nährstoffgehalt im Boden zu niedrig wird, wird im Fungilyzer ein Notfall-Gen aktiviert, das den Pilz kontrolliert absterben lässt und alle im Pilz gespeicherten Nährstoffe an den Boden abgibt. Alle Experimente werden zunächst am Modellorganismus Hefe durchgeführt. Die Ergebnisse können später aber auch auf andere Pilze übertragen werden.

Bis zum iGEM-Wettbewerb im Herbst hat das Düsseldorfer Team noch jede Menge zu tun. Denn nicht nur die Projektidee muss entwickelt werden. Auch die Laborplanung und die Beschaffung von Haushaltsmitteln sowie die Öffentlichkeitsarbeit sind Teil des Wettbewerbs. Die Gruppe aus 15 Studierenden aus den Fachbereichen Biologie und Biochemie – vom Einsteiger bis zum Masterstudierenden – werden dabei von drei Professoren der HHU unterstützt. In den vergangenen Jahren waren deutsche Teams beim iGEM-Wettbewerb sehr erfolgreich und belegten regelmäßig Spitzenplätze.

bb