Ein neuer, nanoskaliger Blick auf die Replikation des SARS-CoV-2-Virus in Zellen könnte eine präzisere Arzneimittelentwicklung ermöglichen, so ein Team der Stanford University. Berichte In NaturkommunikationMithilfe hochentwickelter Mikroskopietechniken erstellten die Forscher die vielleicht schärfsten Bilder der RNA- und Replikationsstrukturen des Virus, die ihrer Beobachtung nach rund um den Zellkern der infizierten Zelle eine kugelförmige Gestalt annahmen.
„Wir haben COVID-infizierende Zellen noch nie in dieser hohen Auflösung gesehen und wussten vorher, was wir sehen“, sagte Stanley Qi, außerordentlicher Professor für Bioengineering an den Fakultäten für Ingenieurwissenschaften und Medizin in Stanford und Co-Seniorautor des Papiers. „Die Möglichkeit, mit dieser hohen Auflösung über einen längeren Zeitraum hinweg zu wissen, was man sieht, ist für die Virologie und die zukünftige Virenforschung, einschließlich der Entwicklung antiviraler Medikamente, von grundlegender Bedeutung.“
Blinkende RNA
Die Arbeit beleuchtet Details der Aktivität des Virus in Wirtszellen auf molekularer Ebene. Um sich zu verbreiten, übernehmen Viren im Wesentlichen Zellen und verwandeln sie in virusproduzierende Fabriken, komplett mit speziellen Replikationsorganellen. Innerhalb dieser Fabrik muss sich die virale RNA immer wieder duplizieren, bis genügend genetisches Material angesammelt ist, um auszuwandern und neue Zellen zu infizieren und den Prozess von vorne zu starten.
Die Stanford-Wissenschaftler wollten diesen Replikationsschritt so detailliert wie nie zuvor darstellen. Dazu markierten sie zunächst die virale RNA und die mit der Replikation verbundenen Proteine mit fluoreszierenden Molekülen verschiedener Farben. Die Abbildung leuchtender RNA allein würde jedoch unter einem herkömmlichen Mikroskop zu verschwommenen Flecken führen. Daher fügten sie eine Chemikalie hinzu, die die Fluoreszenz vorübergehend unterdrückt. Die Moleküle blinkten dann zu zufälligen Zeiten wieder auf, und immer nur einige leuchteten gleichzeitig. Dadurch ließen sich die Blitze leichter lokalisieren und die Positionen der einzelnen Moleküle ermitteln.
Mithilfe eines Aufbaus, der Laser, leistungsstarke Mikroskope und eine Kamera umfasste, die alle 10 Millisekunden ein Foto schoss, sammelten die Forscher Schnappschüsse der blinkenden Moleküle. Indem sie Sätze dieser Bilder kombinierten, konnten sie fein detaillierte Fotos erstellen, die die virale RNA und die Replikationsstrukturen in den Zellen zeigten.
„Wir verfügen über hochempfindliche und spezifische Methoden und auch über eine hohe Auflösung“, sagte Leonid Andronov, Co-Leitautor und Postdoktorand der Stanford-Chemie. „Man kann ein Virusmolekül im Inneren der Zelle sehen.“
Die resultierenden Bilder mit einer Auflösung von 10 Nanometern zeigen möglicherweise die bisher detaillierteste Ansicht davon, wie sich das Virus innerhalb einer Zelle repliziert. Die Bilder zeigen magentafarbene RNA, die Klumpen um den Zellkern bildet, die sich zu einem großen, sich wiederholenden Muster ansammeln. „Wir sind die Ersten, die herausgefunden haben, dass virale genomische RNA bei hoher Auflösung deutlich erkennbare globuläre Strukturen bildet“, sagte Mengting Han, Co-Leitautor und Postdoktorand für Bioingenieurwesen in Stanford.
Die Cluster helfen zu zeigen, wie das Virus die Abwehr der Zelle umgeht, sagte WE Moerner, Co-Autor der Studie und Harry S. Mosher Professor für Chemie an der School of Humanities and Sciences. „Sie sind in einer Membran gesammelt, die sie vom Rest der Zelle abschirmt, sodass sie nicht vom Rest der Zelle angegriffen werden.“
Video, das zeigt, wie die verschiedenfarbigen Fluoreszenzmarkierungen an- und ausgehen und so die genaue Position einzelner Moleküle verraten. Bildnachweis: Leonid Andronov, Moerner Laboratory
Arzneimitteltests im Nanobereich
Im Vergleich zur Verwendung eines Elektronenmikroskops können Forscher mit der neuen Bildgebungstechnik dank der blinkenden fluoreszierenden Markierungen mit größerer Sicherheit feststellen, wo sich Viruskomponenten in einer Zelle befinden. Sie kann auch nanoskalige Details von Zellprozessen liefern, die in der medizinischen Forschung durch biochemische Tests unsichtbar bleiben.
Die herkömmlichen Techniken „sind völlig anders als diese räumlichen Aufzeichnungen, wo sich die Objekte tatsächlich in der Zelle befinden, und das bei einer viel höheren Auflösung“, sagte Moerner. „Wir haben einen Vorteil durch die Fluoreszenzmarkierung, weil wir wissen, woher unser Licht kommt.“
Genau zu sehen, wie das Virus seine Infektion inszeniert, ist vielversprechend für die Medizin. Die Beobachtung, wie verschiedene Viren Zellen befallen, kann helfen, Fragen zu beantworten, wie zum Beispiel, warum manche Krankheitserreger nur leichte Symptome hervorrufen, während andere lebensbedrohlich sind. Die Superauflösungsmikroskopie kann auch der Arzneimittelentwicklung zugutekommen. „Diese nanoskalige Struktur der Replikationsorganellen kann uns einige neue therapeutische Ziele bieten“, sagte Han. „Wir können diese Methode verwenden, um verschiedene Medikamente zu prüfen und ihren Einfluss auf die nanoskalige Struktur zu sehen.“
Und genau das hat das Team vor. Sie werden das Experiment wiederholen und beobachten, wie sich die Virusstrukturen in Gegenwart von Medikamenten wie Paxlovid oder Remdesivir verändern. Wenn ein Medikamentenkandidat den Replikationsschritt des Virus unterdrücken kann, deutet das darauf hin, dass das Medikament den Erreger wirksam hemmt und es dem Wirt erleichtert, die Infektion zu bekämpfen.
Die Forscher planen außerdem, alle 29 Proteine, aus denen SARS-CoV-2 besteht, zu kartieren und zu untersuchen, was diese Proteine im Verlauf einer Infektion tun. „Wir hoffen, dass wir für die nächste Herausforderung bereit sind, diese Methoden wirklich einzusetzen, um schnell zu sehen, was im Inneren vor sich geht, und es besser zu verstehen“, sagte Qi.
Mehr Informationen:
Leonid Andronov et al., Nanoskalige zelluläre Organisation von viraler RNA und Proteinen in SARS-CoV-2-Replikationsorganellen, Naturkommunikation (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48991-x