Erforschung von Schimmelpilzen, natürlichen Stoffen, um Pestizide zu ersetzen

May 25, 2023

14. März 2023

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von Lotte Krull, Technische Universität Dänemark

Die DTU unterstützt ein großes internationales Unternehmen bei der Suche nach natürlichen Substanzen zur Bekämpfung von Pilzkrankheiten in Nutzpflanzen. Die große Schimmelpilzsammlung der Universität und eine kleine Bakteriensammlung sind Teil des Projekts – und einer von ihnen könnte die Lösung sein. 38.400 Schimmelpilz-Isolate übernehmen die Hauptrolle im großen Forschungsprojekt „Smarter AgroBiological Screening“ (SABS). In dem Projekt arbeitet die DTU mit dem internationalen Unternehmen FMC zusammen, das Pflanzenschutzmittel wie Pestizide für die Landwirtschaft herstellt.

Die schwer fassbaren „Hauptakteure“ werden in Plastikröhrchen mit roten Schraubverschlüssen bei genau 9 °C in einem Keller der DTU gelagert und bilden eine international anerkannte Sammlung von Pilzen, die 1988 von Universitätsforschern mit der Lagerung der ersten Isolate begonnen wurde.

Jetzt, 35 Jahre später, werden sie zusammen mit einer kleinen Bakteriensammlung sorgfältig untersucht. Vielleicht lassen sich aus diesen Mikroorganismen Biofungizide herstellen, also Naturstoffe, die Pilzkrankheiten im Getreideanbau bekämpfen können. Besonders hoch sind die Erwartungen bei Schimmelpilzen.

„Biotechnologisch gesehen ist der Schimmelpilz ein wirklich spannender Organismus, denn jeder Pilz hat zwischen 50 und 80 Biosynthesewege. Ein Biosyntheseweg ist eine Reihe von Reaktionen im Inneren des Organismus, die die Produktion einer bioaktiven Substanz ermöglichen. Im Vergleich dazu ein normales Bakterium.“ „Es könnte sechs bis sieben Biosynthesewege haben, während eine Hefezelle keine hat. Es macht Pilze wirklich reichhaltig, aber auch sehr komplex zu untersuchen. Die Erforschung von Pilzen hat also großes Potenzial, und vielleicht können wir Substanzen finden, die zur Krankheitsbekämpfung in der Landwirtschaft eingesetzt werden können.“ sagt Rasmus John Normand Frandsen, außerordentlicher Professor an der DTU und Koordinator des DTU-Anteils am Projekt.

Er führt aus: „Für die überwiegende Mehrheit der Substanzen – möglicherweise bis zu 95 % davon – haben wir keine Ahnung, wofür sie verwendet werden oder warum die Mikroorganismen sie produzieren. Aber sie werden in der Natur aus einem bestimmten Grund und vielleicht mit einem bestimmten Zweck hergestellt.“ von dem wir profitieren können.

Die Suche nach Alternativen zu chemischen Pestiziden ist dringend erforderlich, da die EU eine Halbierung des Einsatzes von Pestiziden in den Mitgliedsstaaten bis 2030 und ein vollständiges Verbot in sensiblen Bereichen vorschlägt.

Doch Pestizide haben – trotz ihres schlechten Rufs – dafür gesorgt, dass Ernteerträge nicht durch Pflanzenkrankheiten und Insekten zerstört werden. Einem Memo der Universität Aarhus zufolge wird der Ausstieg aus Pestiziden zu erheblichen Produktionsverlusten führen, und ein vollständiger Ausstieg wird einen durchschnittlichen Rückgang der Getreideerträge um 23 Prozent sowie große Verluste – bis zu 50 Prozent – ​​bei Zuckerrüben und Zuckerrüben zur Folge haben Kartoffelproduktion.

Angesichts der steigenden weltweiten Nahrungsmittelnachfrage müssen wir andere Wege finden, um gute Ernteerträge zu sichern, um einen grünen Wandel in der Pflanzenzüchtung zu verwirklichen, der nicht erfordert, mehr Land für den Anbau von Nutzpflanzen in Anspruch zu nehmen und damit mehr CO2 auszustoßen.

Wie untersucht man also 38.400 Schimmelpilz-Isolate? Im Moment gibt es nur eine langsame Methode; das Handheld-Gerät, sagt Niels Bjerg Jensen, Projektmanager des Projekts und Verbindungsmann zu FMC. Aber als wichtiger Teil des SABS-Projekts wird die gesamte Pilzsammlung der DTU „modernisiert“, sodass wir in Zukunft auf den Handheld-Teil verzichten und stattdessen Roboter zum Screening der Sammlung einsetzen können.

Im Rahmen der Modernisierung holen derzeit zwei Labortechniker die Isolate aus dem Keller und schrauben nacheinander den roten Deckel ab, um Sporen aus dem Pilz zu pipettieren und auf eine Agarplatte zu übertragen, wo sie im Labor wachsen können. Nach 8–10 Tagen können die Labortechniker die frischen Sporen ernten und sie in eine Plastikschale mit 24 Löchern (oder Vertiefungen, wie sie eigentlich genannt werden) überführen, in denen jede Vertiefung ihr eigenes Pilzisolat enthält.

Dann übernimmt der Roboter und überführt die Pilze schließlich in eine Plastikschale mit 96 Vertiefungen. Jetzt passt das Format der Pilze in den automatisierten Prozess, bei dem ein Roboter Sporen von 96 Pilzen gleichzeitig pipettieren kann.

„Das bedeutet, dass wir in Zukunft etwa 100-mal mehr Schimmelpilze auf einmal untersuchen können, wenn wir nach einem Organismus suchen, der uns hilft“, sagt Niels Bjerg Jensen, der erklärt, dass die Pilzsammlung im neuen Roboter- Das benutzerfreundliche Format wird bei minus 80 °C gelagert, so dass die Isolate für zukünftige Screenings immer wieder abgerufen werden können.

Durch den automatisierten Prozess, bei dem das langsame Pipettieren mit der Hand entfällt, erhöhen sich sowohl die Geschwindigkeit als auch die Datenmenge enorm. Es handelt sich um einen weltweit zu beobachtenden Trend, der als Hochdurchsatzlabore bezeichnet wird.

„Aus den Biotechnologie-Forschungsartikeln auf der ganzen Welt geht hervor, dass die Datensätze immer größer werden. Noch vor ein paar Jahren war es normal, dass ein Datensatz aus vielleicht einem Dutzend Mikroorganismen bestand. Jetzt ist es möglich, Hunderte einzubeziehen.“ von Mikroorganismen", sagt Rasmus John Nordmand Frandsen.

Es stellt auch Anforderungen an die Personalausstattung von Biotechnologielabors, die nun auch Profile benötigen, die Roboter programmieren und Data Warehouses aufbauen können, um die riesigen Mengen an biologischen Daten zu strukturieren.

Da die Pilzuntersuchungen an der DTU Daten generieren, wird es auch möglich sein, künstliche Intelligenz bei der Pilzuntersuchung einzusetzen.

„Künstliche Intelligenz kann Verbindungen und Muster in riesigen Datenmengen finden, die Menschen einfach nicht erfassen können, und sie kann eine schnellere Identifizierung von Pilzen ermöglichen, die das Potenzial haben, uns zu helfen“, sagt Rasmus John Nordmand Frandsen.

Im SABS-Projekt hat die DTU bereits einige vielversprechende Pilze gescreent und identifiziert, die im Labor die begehrten bioaktiven Substanzen produzieren konnten. Die Kandidaten wurden zur weiteren Untersuchung an FMC übergeben. Sollten die vielversprechenden Ergebnisse anhalten, besteht der nächste Schritt darin, die Substanzen unter kontrollierten Bedingungen in Feldversuchen zu testen, bei denen Getreide mit den natürlichen Fungiziden angebaut wird.

Für FMC bietet das Projekt die Möglichkeit, Lösungen zu entwickeln, die den Bedürfnissen der Landwirtschaft zur Vollendung eines grünen Wandels gerecht werden.

„Biopestizide bieten neue Methoden zur Bekämpfung von Pflanzenkrankheiten und tragen dazu bei, den Nutzen bestehender Chemikalien zu verlängern. Sie sind ein nachhaltiges Werkzeug, das sowohl den Bedarf der Pflanzenzüchter an neuen Lösungen befriedigt als auch Resistenzen entgegenwirkt, was dazu beiträgt, die Lebensdauer chemischer Wirkstoffe zu verlängern.“ schützt die Umwelt“, sagt Burghard Liebmann, Forschungs- und Entwicklungsdirektor für Pflanzengesundheit im Europäischen Innovationszentrum von FMC in Hørsholm, Dänemark.

„FMC freut sich über die Zusammenarbeit mit DTU im SABS-Projekt. Wir profitieren von der großen und vielfältigen Sammlung von Mikroorganismen von DTU Bioengineering. Das Fachwissen der DTU in den Bereichen Mikrobiologie, Genomik, Stoffwechsel, Automatisierung und künstliche Intelligenz ist für das Projekt wertvoll.“

Zur Verfügung gestellt von der Technischen Universität Dänemark