Diese Grundlagenforschung soll helfen, um Behandlungen oder Impstoffe gegen Coronaviren zu entwickeln.
Das EU-Projekt SPOCkS MS untersucht Strukturveränderungen viraler Proteinkomplexe mithilfe modernster Methoden der Massenspektrometrie (MS). Ziel ist ein besseres Verständnis des Lebenszyklus humaner Viren, vor allem wie virale Proteine miteinander und den Wirtsfaktoren interagieren. Diese Grundlagenforschung soll helfen, um Behandlungen oder Impfstoffe gegen Coronaviren zu entwickeln.
Ultraviolettlaser, Massenspektrometrie, Proteinstrukturen, DNA, Impfstoffplattformen: Europäische Forscher lassen im Kampf gegen Covid-19 nichts unversucht. Eine Mobilisierung der Grundlagenforschung, an der Virologen, aber auch Physiker, Chemiker, Gentechniker oder Informatiker beteiligt sind. Nach Ansicht vieler könnte diese Arbeit schon bald erste Früchte tragen.
Entschlüsselung der Proteinstruktur von Coronaviren
In Hamburg wollen Forscher die schwer fassbare Proteinstruktur entschlüsseln, die es Coronaviren, darunter SARS-CoV-2, ermöglichen, sich in menschlichen Zellen schnell zu vermehren. Das ist die Basis, um Behandlungen oder Impfstoffe zu entwickeln. Der erste Schritt ist die Herstellung dieser Proteine in verschiedenen Zelltypen. Die Herausforderungen sind enorm:
"Die Proteine müssen in verschiedenen Zelltypen produziert werden und manche Proteine sträuben sich, um produziert zu werden", erklärt Boris Krichel, Virologe am Heinrich-Pette-Institut (HPI), Leibniz-Institut für Experimentelle Virologie. "Das ist dann immer ein bisschen schwierig. Diese Proteine sind dann zu groß oder sind modifiziert. Also muss man bestimmte Zelltypen nehmen, um sie überhaupt so zu bekommen, dass man sie untersuchen kann."
Das ist wichtige Grundlagenforschung. Boris Krichel weiter: "Die Aufgabe dieser Proteine ist die Vermehrung des viralen Genoms. Und wenn wir wissen, wie die Einzelteile funktionieren und wenn wir wissen, wie sie sich zusammensetzen, dann können wir das Wissen nutzen, um Medikamente zu entwickeln, die spezifisch diese einzelnen Proteine stoppen."
Analyse mittels Massenspektrometrie
Sind die Proteine hergestellt, werden sie mithilfe der Massenspektrometrie analysiert: Anhand der Spektren deckt man die chemische Identität oder die Struktur eines bestimmten Proteins auf:
"Ich kann zum Beispiel mit einem Massenspektrometer einmal das Protein messen und eine Substanz, die möglicherweise an das Protein bindet", so Kira Schamoni, Molekularbiologin am HPI . "Ich messe also erstens das Protein allein und zweitens dann das Protein mit der Substanz. Ich sehe im Massenspektrometer also, ob diese beiden sich verbinden und ich kann auch analysieren zum Beispiel, wie stark diese Bindung ist. Und das ist wichtig für zum Beispiel Drugdesign oder Medikamentenentwicklung."
Routinemäßig werden diese Proteine mit Werkzeugen wie der Kristallografie oder dem Elektronenmikroskopie untersucht. Die Forscher am HPI setzen auf die Vorteile der Massenspektrometrie.
Charlotte Uetrecht, Struktur-Virologin und Gruppenleiterin am HPI sowie SPOCkS MS-Projektkoordinatorin sagt: "Wir können die verschiedenen Zustände, in denen ein Protein existiert, zeitgleich abbilden. Wir können sehen, ob es modifiziert wurde und ob es mit dieser Modifikation andere Zustände einnehmen kann. Und wir versuchen jetzt im Rahmen dieses Projektes die Massenspektrometrie weiterzuentwickeln, sodass sie nicht nur die Elektronenmikroskopie oder andere strukturelle Techniken komplementiert, sondern auch eine ähnliche Detailgetreue erreichen kann."
Ihre Kollegin Kira Schamoni fügt an: "Ich kann mit einem Massenspektrometer den nativen Zustand eines Proteins messen, d.h. ich kann wirklich die Dynamik des Proteins oder Eiweißes messen. Das kann ich mit anderen Methoden der Strukturbiologie nicht unbedingt."
Das Projekt mit der Arbeit an der Massenspektrometrie und an Coronavirus-Proteinstrukturen im Rahmen des Europäischen Forschungsrats läuft seit 2018. Die Forschungen erweisen sich jetzt als äußerst nützlich. Das bessere Verständnis der Vermehrung des SARS-CoV-2-Virus trägt dazu bei, Instrumente zur Bekämpfung der Corona-Pandemie zu entwickeln.
SPOCkS MS-Projektkoordinatorin Charlotte Uetrecht: "Coronaviren sind generell eine Herausforderung aufgrund der Größe ihres Erbguts. Wir haben das Projekt angefangen mit Sars-Coronaviren und Verwandten und wir versuchen jetzt, das auf Sars-CoV-2 auszuweiten. Die beiden Viren Sars-CoV und Sars-CoV-2 sind sehr ähnlich, also sind die Herausforderungen auch die gleichen."
EU fördert Exzellenz und Innovation
Das Projekt ist nur ein ein Beispiel von Dutzenden Projekten, die von der Europäischen Union in vielen verschiedenen Initiativen zur Bekämpfung der Corona-Pandemie unterstützt werden. Sie umfassen Forschungsarbeiten zur Entwicklung neuer Impfstoffe, Therapien und Diagnostika und sind das Ergebnis der europäischen Bemühungen, Ergebnisse zu liefern und Wissen auf einer gemeinsamen Grundlage aufzubauen, die angewandte Ergebnisse und Grundlagenforschung miteinander verbindet, erklärt Mariya Gabriel, EU-Kommissarin für Forschung und Innovation:
"Europa macht sieben Prozent der Weltbevölkerung aus, aber 20 Prozent der weltweiten Investitionen in Forschung und Innovation und 21 Prozent der hochrangigen wissenschaftlichen Arbeiten. Wir müssen weiterhin zum Beispiel im Rahmen des Programms "Horizont Europa" die Arbeit des Europäischen Forschungsrates unterstützen, um sicherzustellen, dass diese Forschung von Neugierde getrieben wird und Wissensgrenzen auslotet, um immer einen Schritt voraus zu sein."
Das neue Programm für Forschung und Innovoation "Horizont Europa" folgt auf das laufende Programm "Horizont 2020" und soll die Erforschung wichtiger gesellschaftlicher Fragen fördern. Das EU-Rahmenprogramm ruht auf drei Pfeilern: "Wissenschaftsexzellenz", "Globale Herausforderungen und industrielle Wettbewerbsfähigkeit Europas" sowie "Innovatives Europa".
Die EU-Kommissarin erklärt: "Es gibt zwei große Herausforderungen. Die erste besteht darin, weiterhin in Forschung und Innovation zu investieren. Die aktuelle Krise hat gezeigt, dass das entscheidend ist, wenn wir Lösungen anbieten wollen, die es unseren Volkswirtschaften und Gesellschaften ermöglichen, besser auf die nächste Krise vorbereitet zu sein. Zusammenarbeit und Koordination ist die zweite Herausforderung. Denn wir alle wissen: Das Virus kennt keine Grenzen. Es ist wichtig, sich weiterhin auf diese Richtung der internationalen Zusammenarbeit und globalen Koordination zu konzentrieren: Um sicherzustellen, dass wir unter der Führung der Europäischen Union für alle arbeiten."
Grundlagenforschung für jeden biologischen Proteinkomplex
Zurück in Hamburg. Laut den Forschern ist ihre Technik nicht auf Coronaviren oder Viren beschränkt, sondern könne auch für jeden biologischen Proteinkomplex eingesetzt werden. Das sei, so sagen sie, das Schöne an der Grundlagenforschung:
"Wenn wir an eine Maschine denken, zum Beispiel ein Auto, wenn man es nur von außen betrachtet oder nur hört, wird man nicht wissen, wie es funktioniert", erklärt Charlotte Uetrecht. "Dafür muss man sich den Motor im Detail angucken, muss ihm bei der Arbeit zuschauen, muss ihn vielleicht auch auseinander nehmen und sich die Funktionalitäten der einzelnen Komponenten angucken. Und das ist genau das, was die Strukturbiologie versucht: den einzelnen Proteinen oder auch ihren Komplexen, der gesamten Maschinerie bei der Arbeit zuzugucken."
Die Wissenschaftler sind mit den bisherigen Entwicklungen zufrieden. Aber es wird mehr Forschungsarbeit nötig sein, um die Grenzen der aktuellen Technologie zu sprengen. Das Projekt soll bis Ende 2022 fortgesetzt werden.