Die Forschung kartiert, was auf atomarer Ebene passiert

Forscher der Universität Lund haben zusammen mit Kollegen der NIST Synchrotron Facility in den USA auf atomarer Ebene kartiert, was in einem Viruspartikel passiert, wenn die Temperatur erhöht wird.

„Wenn die Temperatur steigt, ändert das genetische Material des Virus seine Form und Dichte und wird flüssigkeitsähnlicher, was zu einer schnellen Injektion in die Zelle führt“, sagt Alex Evilevitch, ein Forscher an der Universität Lund, der die Studie leitete.

Die Arbeit ist veröffentlicht im Tagebuch Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Viren verfügen nicht über einen eigenen Stoffwechsel und die Fähigkeit, sich unabhängig zu vermehren; Sie sind zur Vermehrung vollständig auf eine Wirtszelle angewiesen. Stattdessen kapert das Virus die interne Maschinerie der infizierten Zelle, um neue Viruspartikel zu produzieren, die dann freigesetzt werden und sich verbreiten, um andere Zellen zu infizieren.

In den meisten Fällen ist das genetische Material des Virus, die DNA, in einer schützenden Proteinhülle, einem sogenannten Kapsid, eingeschlossen. Eine Forschungsgruppe an der Universität Lund arbeitet daran, den Prozess zu verstehen, durch den das Virus sein genetisches Material aus dem Kapsid in die Zellen ausstößt und was die Freisetzung der DNA des Virus verursacht. Alles begann mit einer 2014 veröffentlichten Studie, in der Forscher der Universität Lund beobachteten, dass es offenbar zu einer plötzlichen Veränderung des genetischen Materials des Virus kommt, wenn es der Infektionstemperatur von etwa 37 Grad Celsius ausgesetzt wird.

„Je mehr wir die Temperatur erhöhten, desto steifer wurde die DNA des Virus. Und dann passierte plötzlich bei der Infektionstemperatur etwas. Es war, als ob keine DNA mehr im Viruspartikel vorhanden wäre – die Steifheit verschwand“, sagt Alex Evilevitch, Professor für Zellbiologie an der Universität Lund.

Können Änderungen der Umgebungstemperatur die Ausbreitung der DNA des Virus beeinflussen? Die Studie erregte große Aufmerksamkeit in der Forschungsgemeinschaft, aber die genaue Beschreibung der Vorgänge war eine Herausforderung und zeitaufwändig. Als experimentelles Modell untersuchten die Forscher, was passiert, wenn Phagenviren – Viren, die Bakterien angreifen – Temperaturerhöhungen ausgesetzt werden.

„Die Beobachtung des Aussehens der DNA in einem Viruspartikel ist nicht im Handumdrehen möglich. Ihr genetisches Material ist empfindlich, schwer abzubilden und außerdem sind Phagenviren sehr klein – etwa zehnmal kleiner als eine Bakterienzelle.“ Allerdings … waren wir letztendlich in der Lage, mithilfe von Neutronenlicht die Struktur der Phagenvirus-DNA und ihre Dichte im Inneren des Kapsids abzubilden und zu sehen, wie sich diese bei verschiedenen Temperaturen veränderten“, erklärte Evilevitch.

In der aktuellen Studie zeigen die Forscher, dass die Umgebungstemperatur eine entscheidende Rolle spielt, wenn sich das Kapsid öffnet und „DNA herausplatzt“ und in die Zelle gelangt. Die Zelle wird infiziert, so dass sich Phagenviruspartikel teilen und auf benachbarte Bakterienzellen ausbreiten können.

„Wir haben auch beobachtet, dass die Veränderung der DNA-Struktur direkt damit zusammenhängt, wie effektiv das Virus die Wirtszelle infiziert“, kommentierte Evilevitch.

Das Interesse der Forscher, mehr über die Funktionsweise des Kapsids und der DNA des Virus zu erfahren, besteht zum Teil darin, zu verstehen, wie DNA und RNA in solch unglaublich kleine Volumina gepackt werden können und wie sie während der Infektion so schnell in die Zelle injiziert werden können.

„Dies gibt uns ein besseres Verständnis dafür, wie schnell DNA das Virus verlassen und in die Zelle eindringen kann, und könnte für die Art und Weise relevant sein, wie man ein Virus ein- und ausschalten kann – das Grundprinzip für die Entwicklung neuer antiviraler Wirkstoffe. Es könnte auch von Bedeutung sein für.“ wie Nukleinsäuren für Zwecke der Gentherapie verpackt werden“, sagte Evilevitch.

Kann die Studie also so interpretiert werden, dass eine höhere Körpertemperatur das Risiko einer Infektionsausbreitung erhöht?

„Die Ergebnisse deuten in diese Richtung. Die Struktur des genetischen Materials des Virus und seine mechanischen Eigenschaften ändern sich bereits, wenn die Körpertemperatur auf 37 Grad ansteigt „Dies wurde nur in Zellkulturen in unserem Labor gezeigt, und zukünftige Studien sind erforderlich, die andere Faktoren berücksichtigen, die den Verlauf der Infektion beeinflussen, wie zum Beispiel die Immunantwort“, sagte Evilevitch.