Tiny virus, big impact: young scientists discover phages as eco-friendly plant protectors
Secondary school students Misha Hegde and Mia Maurer are investigating whether special viruses, called bacteriophages, can be used as biological pesticides against pathogenic bacteria in plants
A bacteriophage is a virus that can infect and destroy bacteria. Phages are highly specific, meaning that they only attack certain types of bacteria. For this reason, scientists are studying them as a possible alternative to antibiotics, particularly to combat antibiotic-resistant bacteria.
Misha Hegde and Mia Maurer are in years 9 and 10 at Schuldorf Bergstraße School in Seeheim-Jugenheim, Germany. For the past year and a half, the young researchers have been working on a targeted way to combat the plant pathogen Rhizobium rhizogenes. This bacterium causes hairy root disease, which can lead to the death of affected plants due to uncontrolled root growth, resulting in harvest losses.
In their search for a natural solution, Hegde and Maurer identified and isolated a previously unknown phage from compost soil, purified it, and tested its ability to target the bacterium. They found that the phage only attacked Rhizobium rhizogenes, without affecting beneficial microorganisms.
“It was an indescribable feeling to have achieved our goal after all this hard work – to find a host-specific phage against Rhizobium rhizogenes. I was full of euphoria,” said Mia Maurer.
As a next step, the students plan to test the protective effect of their phage on carrot slices to see if it can actually prevent infection. In the long term, their approach could provide an environmentally friendly alternative to antibiotics in agriculture.
Cutting-edge services: EMBL supports student research on new phage
The European Molecular Biology Laboratory (EMBL) played a crucial role in Misha and Mia’s research, particularly in the high-resolution imaging of their isolated phage.
At EMBL Heidelberg, the young researchers carried out scanning electron microscopy (SEM) at the Electron Microscopy Core Facility (EMCF) and cryo-electron tomography (cryo-ET) at the EMBL Imaging Centre. These advanced techniques allowed them to study the structure of their phage in detail and confirm that it has a short tail. This finding was key to classifying their phage within the family Podoviridae. With EMBL’s expertise, they were able to produce high-resolution images that validated their findings and took their research forward.
The students are currently sequencing the DNA of their isolated phage to determine its exact genetic identity and confirm its taxonomic classification. To do this, they have already extracted and analysed the genetic material of both the phage and its host. So far, their tests have confirmed the phage’s classification.
“Each new method has brought us one step closer to proving that this is a novel phage. Over the past year, we’ve really enjoyed learning new techniques in molecular biology and microbiology, as well as the theory behind them,” said Misha Hegde.
The next step is to sequence the phage’s entire genome at EMBL’s Genomics Core Facility (GeneCore). The data obtained could provide evidence that their phage is indeed a new, previously undescribed species. In addition, the genetic information could help to understand the mechanism by which the phage attacks the pathogenic bacterium.
“We would like to thank Vladimir Benes, Simone Mattei, and Yannick Schwab, who were immediately willing to support our project when we contacted them, as well as their colleagues Rachel Mellwig, Viola Oorschot, Tobias Rausch, and Georg Wolff, who taught us so much about their work,” said the two young scientists.
All set for the national ‘Jugend forscht’ competition
With their project ‘Bacteria on the Menu 2.0’, Hegde and Maurer recently won the young scientists competition ‘Jugend forscht’ at a state level. They will compete in the national competition at the end of May.
The two students started their research in their school’s MakerLab, which supports 30 projects across a range of academic disciplines. Here, students can independently develop creative solutions to research questions in physics, biology, chemistry, computer science, sensor technology or mechanical engineering. The MakerLab regularly competes successfully in the Young Scientists competition, and many of its graduates go on to scientific careers or university degrees.
“I’m delighted that Misha and Mia have stuck with this project through all the ups and downs,” said Petra Leidert, Head of the Jugend forscht MakerLab at Schuldorf Bergstraße. “At the beginning, it was far from certain whether they would be able to find a specific phage within a reasonable timeframe – let alone complete the main part of their research, the characterisation, before the competition. And how often do students get the chance to discover a new organism?”
Mini-Viren gegen Pflanzenschädlinge: Jugend forscht am EMBL Heidelberg
Die Schülerinnen Misha Hegde und Mia Maurer untersuchen, ob spezielle Viren, sogenannte Bakteriophagen, als biologische Schädlingsbekämpfungsmittel gegen krankheitserregende Bakterien in Pflanzen eingesetzt werden können
Ein Bakteriophage ist ein Virus, das gezielt Bakterien infizieren und zerstören kann. Phagen sind hochspezifisch, das heißt, sie greifen jeweils nur bestimmte Bakterienarten an. Deshalb werden sie in der Wissenschaft und Medizin als mögliche Alternative zu Antibiotika erforscht, insbesondere zur Bekämpfung von antibiotikaresistenten Bakterien.
Misha Hegde und Mia Maurer sind Schülerinnen der 9. und 10. Klasse am Schuldorf Bergstraße in Seeheim-Jugenheim, Hessen. Die jungen Forscherinnen forschen seit eineinhalb Jahren daran, das für Pflanzen schädliche Bakterium Rhizobium rhizogenes gezielt zu bekämpfen. Das Bakterium verursacht die „Hairy Roots“-Krankheit, die durch ungehemmtes Wurzelwachstum zum Absterben betroffener Nutzpflanzen und damit zu Ernteverlusten führen kann.
Auf der Suche nach einer natürlichen Lösung für einen solchen Befall identifizierten und isolierten Hegde und Maurer einen bisher unbekannten Phagen aus Komposterde, reinigten ihn auf und testeten seine Fähigkeit, das Bakterium gezielt zu bekämpfen. Sie fanden heraus, dass der Phage tatsächlich nur Rhizobium rhizogenes angreift, ohne andere nützliche Mikroorganismen zu beeinträchtigen.
„Es war ein unbeschreiblich tolles Gefühl, nach all der Arbeit tatsächlich unser Ziel erreicht zu haben, einen wirtsspezifischen Phagen gegen Rhizobium rhizogenes zu finden. Ich war voller Euphorie,” erzählte Mia Maurer.
Als nächsten Schritt planen die Schülerinnen, die Schutzwirkung ihres Phagen an Karottenscheiben zu testen, um zu prüfen, ob er eine Infektion tatsächlich verhindern kann. Langfristig könnte ihr Ansatz eine umweltfreundliche Alternative zu Antibiotika in der Landwirtschaft darstellen.
Hochmoderne Services: EMBL unterstützt Schülerforschung an neuem Phagen
Das Europäische Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) spielte eine entscheidende Rolle in der Forschung von Misha und Mia, insbesondere bei der hochauflösenden Bildanalyse ihres isolierten Phagen.
Am EMBL Heidelberg führten die jungen Forscherinnen Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Kryo-Elektronentomographie (Cryo-ET) in den Serviceeinrichtungen EMBL Imaging Centre und der Electron Microscopy Core Facility durch. Diese hochmodernen Verfahren ermöglichten es ihnen, die Struktur ihres Phagen genau zu untersuchen und zu bestätigen, dass er eine kurze Schwanzstruktur besitzt. Diese Erkenntnis war entscheidend für die taxonomische Einordnung ihres Phagen in die Familie der Podoviridae. Mit Hilfe der EMBL-Expertise konnten sie hochauflösende Bilder erstellen, die ihre Ergebnisse bestätigten und ihre Forschung voran brachten.
Momentan führen die Schülerinnen DNA-Sequenzierung ihres isolierten Phagen durch, um seine genetische Identität genau zu bestimmen und seine taxonomische Einordnung zu bestätigen. Dafür haben sie bereits das Erbgut des Phagen und seines Wirts extrahiert und analysiert. Die Tests haben bisher die Einordnung des Phagen bestätigt.
„Mit jeder neuen Methode kamen wir unserem Beweis einen Schritt näher, dass es sich um einen neuartigen Phagen handelt. Wir haben im letzten Jahr sehr viel Spaß daran gehabt, neue Techniken im Bereich Molekularbiologie und Mikrobiologie sowie die Theorie dahinter zu erlernen,” sagte Misha Hegde.
Der nächste Schritt ist die vollständige Genomsequenzierung des Phagen in der Genomics Core Facility (GeneCore) des EMBL. Mit den gewonnenen Daten könnten sie nachweisen, dass ihr Phage tatsächlich eine neue, bisher unbeschriebene Art ist. Zudem könnten die genetischen Informationen dabei helfen, den Mechanismus zu verstehen, mit dem der Phage das krankheitserregende Bakterium angreift.
„Wir möchten uns herzlich bei Vladimir Benes, Simone Mattei und Yannick Schwab bedanken, die sofort bereit waren, unser Projekt zu unterstützen, und bei ihren Kolleg:innen Rachel Mellwig, Viola Oorschot, Tobias Rauscher und Georg Wolff, von denen wir viel über ihre Arbeit erfahren haben,” erklärten Mia und Misha.
Bereit für den Bundeswettbewerb Jugend forscht
Mit ihrem Projekt ‘Bakterien auf dem Speiseplan 2.0’ haben sie gerade den Landeswettbewerb von Jugend forscht in Hessen gewonnen. Ende Mai folgt der Bundeswettbewerb.
Im MakerLab ihrer Schule hatten die beiden Schülerinnen ihre Forschung anfänglich ins Rollen gebracht. Hier werden 30 Projekte aus verschiedenen Schulzweigen betreut. Schülerinnen und Schüler können selbständig an kreativen Lösungen von Forscherfragen aus den Bereichen Physik, Biologie, Chemie, Informatik, Sensorik oder Maschinenbau arbeiten. Das MakerLab nimmt regelmäßig mit hoher Erfolgsquote an Jugend forscht Wettbewerben teil, und viele Absolventinnen und Absolventen beginnen naturwissenschaftliche Ausbildungen oder Studiengänge.
“Ich freue mich sehr, dass Misha und Mia dieses Projekt mit allen Höhen und Tiefen konsequent vorangetrieben haben,” sagte Petra Leidert, Leiterin des ‘Jugend forscht MakerLab’ des Schuldorf Bergstraße. “Gerade zu Anfang war nicht absehbar, ob sie einen spezifischen Phagen in einem überschaubaren Zeitraum finden würden, um dann auch den eigentlichen Hauptteil, die Charakterisierung, vor dem Wettbewerb zu bewerkstelligen. Und wie oft kommt es schon vor, dass Schüler einen neuen Organismus finden?“
