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Institut Max von Laue Paul Langevin

FRITSCH GmbH

Axel Semrau GmbH /Trajan Scientific and Medical

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Mehr als 100 der 182 bisher ermittelten SARS-CoV-2-verwandten Strukturen sind hochauflösende Röntgenstrukturen der Haupt-Protease des Virus, von denen die meisten an potenzielle Inhibitoren gebunden sind. Eine der größten He­rausforderungen bei der Durchführung der Neutronenkristallographie besteht darin, dass größere Kristalle benötigt werden als bei der Röntgenkristallographie. Motiviert von der Bedeutung des Wasserstoffbrückennetzwerkes für das Verständnis der Bindung von Medikamenten haben Wissenschaftler erfolgreich die Kristallisierung verbessert. In Kombination mit der Produktion von vollständig deuteriertem Protein können sie die Voraussetzungen für Neutronenkristallographie-Experimente optimieren.

Proteasen sind nicht die einzigen Proteine, bei denen die Neutronenkristallographie wesentliche Informationen liefern kann. So ist zum Beispiel das Spike-Protein (S-Protein) von SARS-CoV-2, das für die Anheftung und das Eindringen in menschliche Zellen verantwortlich ist, für die Entwicklung therapeutischer Abwehrstrategien gegen das Virus von großer Bedeutung. Hier kann die Neutronenkristallographie einzigartige Informationen über den spezifischen Aufbau des S-Proteins liefern, an das das Virus menschliche Zellrezeptoren bindet. Ein Vergleich zwischen verschiedenen Varianten des Coronavirus (SARS-CoV-2 und SARS-CoV), der mittels Röntgenstrahlen durchgeführt wurde, zeigte Folgendes auf: Kleine Veränderungen in der Aminosäuresequenz können die Bindungsaffinität des S-Proteins an den menschlichen Rezeptor ACE2 verstärken, wodurch SARS-CoV-2 infektiöser wird.

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Das große Ganze

Biologische Systeme sind geprägt von einer Hierarchie der Strukturen: Ausgehend von Molekülen, die sich zu Strukturen wie Proteinen zusammensetzen, bilden diese wiederum größere Komplexe: Diese supramolekularen Anordnungen (z.B. Membrane) sind wichtige Bestandteile von Zellen. Jeder Teil unterliegt einer ständigen Reorganisation. Um die Funktionsweise oder im Falle einer Krankheit die Fehlfunktion eines biologischen Systems zu verstehen, müssen wir daher Einblick in den biologischen Mechanismus auf all diesen verschiedenen Längenskalen gewinnen.

Um die Funktion größerer biologischer Komplexe, wie assemblierter Viren, zu untersuchen, werden SANS-Untersuchungen zu einem wichtigen analytischen Werkzeug. Durch diese Technik, die auf der Kleinwinkelneutronenstreuung beruht, können spezifische Regionen (RNS, Proteine und Lipide) des Virus unterschieden werden. Deuterierungsmethoden ermöglichen Forschern, die Anordnung der verschiedenen Komponenten zu kartographieren, was unschätzbare Informationen für strukturelle Studien von SARS-CoV-2 liefert.

Während andere analytische Techniken die detaillierte, atomar aufgelöste Struktur kleiner biologischer Anordnungen liefern, liefert Neutronenstreuung das übergeordnete Bild vollständiger Molekülkomplexe bei geringerer Auflösung. Neutronenstreuung ist darüber hinaus eine einzigartige Sonde, um die Struktur von funktionellen Mem­branproteinen unter physiologischen Bedingungen zu studieren. Neutronenstreuung wird es daher erlauben, die Struktur des Komplexes aus S-Protein und ACE2-Rezeptor abzubilden.

Nicht zuletzt ist es für das umfassende Verständnis des Lebenszyklus des Virus ausschlaggebend, die Wechselwirkung des Virus mit der Zellmembran zu untersuchen, um den Mechanismus, mit dem es in die Wirtszelle eindringt, zu verstehen. SARS-CoV-2 ist ein Virus, das wie HIV eine Virushülle aus Lipiden, Proteinen und Zuckern besitzt. Bei der Technik der Neutronenreflektometrie treffen stark gebündelte Neutronen auf eine ebene Oberfläche auf. Die Intensität der reflektierten Strahlung wird als Funktion des Winkels oder der Neutronenwellenlänge gemessen. Dieses Verfahren hilft, Informationen über die molekulare Struktur und Zusammensetzung des Virus und den genauen Mechanismus, über den es in die Zelle eindringt, zu liefern.

Wie im Fall von SANS-Untersuchungen beruht die Stärke der Neutronenreflektometrie darauf, dass sie einen anderen Kontrast als Röntgenstrahlung liefert und dass dieser Kontrast durch Deuterierung variiert werden kann. So kann beispielsweise ein in die Membran eingebrachtes Protein von der Membran selbst unterschieden werden. In Bezug auf SARS-CoV-2 bedeutet dies, dass die Neu­tronenreflektometrie detaillierte strukturelle Informationen über die Wechselwirkung kleiner Proteinfragmente, so genannter Peptide, liefern kann, die das S-Protein imitieren und von denen angenommen wird, dass sie für die Bindung an den Rezeptor der Wirtszelle verantwortlich sind. Die Definition dieses Mechanismus, der für die Infektion entscheidend ist, wird für die langfristige Kontrolle des Virus und seiner möglichen zukünftigen Mutationen von entscheidender Bedeutung sein.

Viren sind in ihrer physiologischen Umgebung hochdynamische Systeme. Zu wissen, wie sie sich bewegen, deformieren und clustern, ist für die Optimierung von diagnostischen und therapeutischen Behandlungen unerlässlich. Die Neutronenspektroskopie ist ideal geeignet, um die Bewegung von Materie von kleinen chemischen Gruppen bis hin zu großen makromolekularen Anordnungen zu verfolgen.

Die League of Advanced European Neutron Sources (LENS) stellte für alle zur Erforschung des Coronavirus relevanten Experimente die Neutronenanlagen bereit. Für die wissenschaftliche Gemeinschaft wurden spezielle Zugangsmöglichkeiten zu den Neutronenanlagen eingerichtet, um so unverzüglich auf die Herausforderungen von Covid-19 zu reagieren. In diesem Zusammenhang steht LENS auch in engem Kontakt zu internationalen Partnern, von denen viele ihre Forschungsanlagen bereits wiedereröffnet haben oder gerade dabei sind, dies zu tun. Wir müssen sicherstellen, dass jedem Forschungsinteresse in Bezug auf das Coronavirus, das am besten geeignete Analyseinstrument zur Verfügung gestellt wird.

* M. Blakeley, H.Schober: Institut Laue-Langevin (ILL), 38042 Grenoble Cedex 9/Frankreich

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