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Virenforschung Einblick in die Virenküche von Wiener Forschern

Quelle: Pressemitteilung Institute of Science and Technology Austria (ISTA)

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Viren vorsätzlich züchten und vermehren – dahinter steckt nicht etwa ein Weltherrschaftsplan, sondern der Wissensdurst von Forschern am Institute of Science and Technology Austria (ISTA). Dort entwickelt ein Team Viren als Gen-Kuriere, mit denen sich genetisches Material in Zellen schleusen lässt, um deren Wachstum, Bewegung und Aktivität zu untersuchen. Wie das funktioniert und warum die gezüchteten Viren sich nicht einfach unkontrolliert ausbreiten können, erklären die Forscher in diesem ISTA-Beitrag.

Vorbereitung des Mediums für Säugetierzellen, das die Techniker zur Züchtung der Viren im Labor verwenden.
Vorbereitung des Mediums für Säugetierzellen, das die Techniker zur Züchtung der Viren im Labor verwenden.
(Bild: Nadine Poncioni / ISTA )

Klosternburg/Österreich – Viren wie zuletzt das Coronavirus oder das Affenpockenvirus sind seit immer wieder ein Thema in den Nachrichten. Während die meisten Menschen Viren eher mit Krankheiten assoziieren, nutzen Wissenschaftler sie als Werkzeuge in ihrer Forschung. Viren sind erstaunliche kleine Maschinen, die Dinge tun können, die sonst niemand tun kann. Am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) stellt das Virus Services Team Wissenschaftlern die virale Hilfe zur Verfügung, die sie für ihre Arbeit benötigen.

Faszinierende Viren

Es gibt eine Vielzahl verschiedener Viren: von Erkältungsviren über HIV oder dem bekannten Coronavirus bis hin zu anderen, die beim Menschen überhaupt keine Krankheiten verursachen. Unter Wissenschaftlern ist umstritten, ob Viren als lebendig gelten oder ob sie nur molekulare Maschinen sind. Klar ist jedoch, dass sie sehr effizient darin sind, Wirtszellen zu infizieren und sie dazu zu bringen, Viruspartikel zu produzieren. Die Größe der Partikel reicht von einigen Dutzend Nanometern bis zu mehreren hundert Nanometern. Die meisten sind kleiner als die kürzeste Wellenlänge des sichtbaren Lichts (violett mit etwa 380 nm) und dennoch sind sie rund um den Globus enorm erfolgreich. Ihre Fähigkeiten, die über Jahrmillionen an Evolution verfeinert wurden, machen sich die Wissenschaftler zu Nutze, wenn sie Viren als ihre winzigen Helferlein im Labor einsetzen.

Wie man ein sicheres Virus baut

Obwohl Viren sehr unterschiedliche Formen haben können (s. Bild unten), sind sie im Wesentlichen alle gleich aufgebaut. „Vereinfacht gesagt besteht ein Viruspartikel aus einer äußeren Proteinhülle, die manchmal von einer zusätzlichen Hülle aus Fetten umhüllt ist, und dem viralen Genom, das beschreibt, wie man mehr davon herstellen kann“, erklärt Flávia Leite, Virenexpertin am ISTA. „Im Labor der Virus Services verwenden wir modifizierte Viren, die nicht mehr gefährlich sind. Anstelle ihres ursprünglichen genetischen Materials tragen sie ein gewünschtes Gen in die Zellen, die sie infizieren. Dort kann es dann auch in den genetischen Code einer infizierten Zelle eingebaut werden.“

Viren haben verschiedene Erscheinungsformen.
Viren haben verschiedene Erscheinungsformen.
(Bild: VectorMine - stock.adobe.com )

Bei unveränderten Viren würden die infizierten Zellen dann noch mehr Viren erzeugen, um sich auf andere Zellen auszubreiten. Bei Flávias Viren beschreibt das Genom Proteine, an denen die Forscher interessiert sind. Auf diese Weise kann sich das Virus nicht weiter vermehren und ausbreiten, sodass es in Experimenten sicher gehandhabt werden kann.

Aber wie bringt man dieses genetische Material überhaupt in das Virus hinein? Mark Smyth, ein weiterer Experte im Virus Services Team, erklärt: „Um beispielsweise Lentiviruspartikel zu erzeugen, verwenden wir drei verschiedene Bausteine, die so genannten Plasmide. Das sind kurze, kreisförmige DNA-Stränge.“ Ein Plasmid-Baustein enthält das genetische Material, das Forscher in die Zelle einbringen wollen. Ein anderes Plasmid beschreibt die Hülle des Virus. Und das dritte lässt andere Proteine erzeugen, die benötigt werden, um das virale genetische Material zu reproduzieren und in die Viruspartikel zu packen, wie Smyth erklärt. „Erst wenn alle drei Plasmide in einer Wirtszelle zusammenkommen, übernehmen sie die Kontrolle und die Zelle produziert die Viruspartikel. Wir können sogar Plasmide von Forscher:innen außerhalb des ISTA bekommen und sie in unsere Viren einbauen.“

Es ist wie Kochen, nur mit Viren.

Mark Smyth, Wissenschaftler im Virus Services Team des ISTA

Diese Vorgehensweise hat auch den Vorteil, dass das ursprüngliche und gefährliche Virus nie in seiner vollständigen Form zusammengebaut werden muss. Da nur seine Bestandteile bearbeitet werden, ist diese Methode sehr sicher.

Zellen zum Leuchten bringen

Das Team am ISTA nutzt für seine Arbeit verschiedene Arten von Viren. „Forscher:innen verwenden zum Beispiel Adeno-assoziierte Viren, um die Zielzellen dazu zu bringen, grün fluoreszierendes Protein (GFP) zu produzieren“, sagt Smyth. GFP kann man unter dem Mikroskop grün leuchten sehen, wenn man es mit ultraviolettem Licht bestrahlt.

Immunzellen, die mit einem Typ von Adeno-assoziiertem Virus (AAV9) infiziert sind. Das Virus trägt genetisches Material, das die infizierten Mikroglia-Immunzellen im Gehirn dazu bringt, ein grün fluoreszierendes Protein zu produzieren. Der rote Farbstoff zeigt Mikrotubuli an, die Teil des Zellskeletts sind.
Immunzellen, die mit einem Typ von Adeno-assoziiertem Virus (AAV9) infiziert sind. Das Virus trägt genetisches Material, das die infizierten Mikroglia-Immunzellen im Gehirn dazu bringt, ein grün fluoreszierendes Protein zu produzieren. Der rote Farbstoff zeigt Mikrotubuli an, die Teil des Zellskeletts sind.
(Bild: Yvonne Vallis / ISTA )

Bei Adeno-assoziierten Viren wird GFP normalerweise verwendet, um zu überprüfen, ob das Virus die Zelle erfolgreich infiziert hat. Dann kann man sehen, ob damit das gewünschte Protein erfolgreich eingeschleust wurde. Es lassen sich auch bestimmte Zellen auf diese Weise markieren. Neben dem grün leuchtenden GFP gibt auch Proteine, die unter ultraviolettem Licht blau, rot oder gelb leuchten.

Neuronen, die mit einer Art von Adeno-assoziiertem Virus (AAV2) infiziert sind. AAV2 bringt die Neuronen im Gehirn einer Maus dazu, ein Protein zu produzieren, das unter einem bestimmten Licht rot leuchtet. Das Protein sammelt sich im Zellkern der Neuronen. Ein weiterer Farbstoff färbt alle Zellkerne blau. Das Bild zeigt, dass der Farbstoff die Kerne aller Zellen einfärbt, das Virus aber nur die Neuronen infiziert.
Neuronen, die mit einer Art von Adeno-assoziiertem Virus (AAV2) infiziert sind. AAV2 bringt die Neuronen im Gehirn einer Maus dazu, ein Protein zu produzieren, das unter einem bestimmten Licht rot leuchtet. Das Protein sammelt sich im Zellkern der Neuronen. Ein weiterer Farbstoff färbt alle Zellkerne blau. Das Bild zeigt, dass der Farbstoff die Kerne aller Zellen einfärbt, das Virus aber nur die Neuronen infiziert.
(Bild: Yvonne Vallis / ISTA )

Wissenschaftler nutzen Viren als molekulares Werkzeug für ihre Forschung. „Damit kann man ein Gen ausschalten, um zu verstehen, welche Rolle es in der Zelle spielt“, sagt Virenexpertin Leite. „Oder wir können sogar bestimmte Gene so verändern, dass wir sie nur durch Lichtblitze ein- und ausschalten können.“ Adeno-assoziierte Viren sind für Neurowissenschaftler besonders nützlich, weil die verschiedenen Virentypen auf unterschiedliche Arten von Gehirnzellen abzielen. Ein Typ infiziert beispielsweise bevorzugt Zellen im Hippocampus und ein anderer zielt auf Mikrogliazellen ab, die Teil des Immunsystems des Gehirns sind.

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HIV und Tollwut bekommen einen Nutzen

Mit Lentivirus infizierte Mikrogliazellen. Rouven Schulz, Doktorand in der Siegert-Forschungsgruppe, brachte mithilfe eines Lentivirus Mikrogliazellen – Teil des Immunsystems im Gehirn – dazu, einen bestimmten G-Protein-gekoppelten Rezeptor zu produzieren. Mit einer Immunfluoreszenzfärbung (magenta) machte er die Rezeptoren auf der Zelloberfläche sichtbar. Außerdem färbte er die Zellkerne mit einem anderen Farbstoff blau ein.
Mit Lentivirus infizierte Mikrogliazellen. Rouven Schulz, Doktorand in der Siegert-Forschungsgruppe, brachte mithilfe eines Lentivirus Mikrogliazellen – Teil des Immunsystems im Gehirn – dazu, einen bestimmten G-Protein-gekoppelten Rezeptor zu produzieren. Mit einer Immunfluoreszenzfärbung (magenta) machte er die Rezeptoren auf der Zelloberfläche sichtbar. Außerdem färbte er die Zellkerne mit einem anderen Farbstoff blau ein.
(Bild: Rouven Schulz / ISTA )

Ein weiterer Virustyp, den das Team von Virus Services herstellt, heißt Lentivirus und er enthält auch das menschliche Immunschwächevirus (HIV). „Wir verwenden dieses Virus, weil es DNA sowohl in sich teilende als auch in sich nicht teilende Zellen einschleusen kann – etwas, das andere Viren nicht können“, erklärt Leite. „Außerdem hat es die besondere Fähigkeit, die DNA, die es trägt, zu einem festen Bestandteil des Genoms der infizierten Zelle zu machen. Auf diese Weise wird die eingeschleuste DNA dann an die Nachkommen der Zelle weitergegeben, und wir können ganze Zelllinien erzeugen.“ Auch hier verwenden die Wissenschaftler oft Lentiviren, um die Zellen dazu zu bringen, grün fluoreszierendes Protein zusammen mit einem anderen Zielprotein zu produzieren.

Die dritte Art von Virus, die das Team von Virus Services herstellt, ist das Tollwutvirus. Während es in seiner natürlichen Form sehr gefährlich ist, kann es im Labor Neurowissenschaftlern helfen, Verbindungen im Gehirn zu kartieren. „Das Tollwutvirus ist sehr gut auf den Angriff auf das Nervensystem ausgerichtet. Bei richtiger Anwendung infiziert es die Neuronen in der dem Informationsfluss im Gehirn entgegengesetzten Richtung“, erklärt Leites Kollege Smyth. Das Virus bewegt sich also vom infizierten Neuron zu den anderen Neuronen, die dem infizierten Neuron Informationen schicken. Der Informationspfad wird dann sichtbar, indem das Virus die Neuronen dazu bringt, ein fluoreszierendes Protein zu produzieren, das die Forscher unter dem Mikroskop sehen können. Neurowissenschaftler nutzen dieses bemerkenswerte Verhalten, um einzelne Signalwege im Gehirn zu finden.

(ID:48501721)