Wie Käfersaft zur Entdeckung eines Virus führte und das Rätsel um das Aussterben eines Superwurms löste

Wissenschaftler der Rutgers University in New Brunswick haben ein Virus entdeckt, das ein landesweites Aussterben von Superwürmern verursachte, die als Nahrung für Vögel, Reptilien und andere Haustiere und zunehmend auch für Menschen als alternative Proteinquelle dienen. Damit haben sie eine neue Methode zur Suche und Identifizierung neu auftretender Viren und Krankheitserreger bei Menschen, Pflanzen und Tieren entwickelt.

Mithilfe von zerkleinerten Käferkadavern, die einen Brei bilden, und einem mit flüssigem Stickstoff gekühlten Elektronenmikroskop haben die Wissenschaftler Bericht In Zelle dass sie etwas entdeckt haben, das sie Zophobas morio Black Wasting Virus genannt haben.

Der Name leitet sich von der tödlichen Wirkung des Virus auf eine in den Subtropen heimische Schwarzkäferart, Zophobas morio, ab, insbesondere im unreifen Larvenstadium des Insekts, wenn es als große, braune Superwürmer aus seinen Eiern schlüpft. Diese Art wurde „Superwurm“ genannt, weil ihre Larven mit etwa 5 cm Länge größer sind als alle anderen, die als Futter gezüchtet werden.

Die proteinreichen Larven von Z. morio, die ein Grundnahrungsmittel für in Gefangenschaft gehaltene, oft exotische Reptilien, Vögel, Fische und Amphibien auf der ganzen Welt sind, begannen im Jahr 2019 auf mysteriöse Weise abzusterben und geben Tierfutterlieferanten und Tierbesitzern Rätsel auf.

Jason Kaelber, Autor der Studie und außerordentlicher Forschungsprofessor am Institute for Quantitative Biomedicine (IQB) in Rutgers-New Brunswick, arbeitete mit Judit Penzes zusammen, der Erstautorin der Studie und Postdoktorandin am IQB.

„Judit wollte herausfinden, warum Käferzüchter all ihre Superwurmkolonien an eine tödliche Krankheit verloren, und ich wollte Wege finden, neue Viren zu entdecken, die nicht auf DNA- oder RNA-Sequenzierung angewiesen sind“, sagte Kaelber. „Wir haben schließlich das Virus entdeckt, das das Land überrollt und Superwürmer tötet.“

Die wissenschaftliche Untersuchung begann vor über einem Jahr, als Penzes, eine Molekularvirologin, von Besitzern von Käferfarmen kontaktiert wurde, deren Superwürmer auf mysteriöse Weise mit alarmierender Geschwindigkeit ausstarben. Penzes war in der Branche bereits bekannt, da sie zuvor ein Virus isoliert hatte, das Grillen tötete, ein weiteres beliebtes Futter für Haustiere.

Sie begann damit, Superwürmer in Zoohandlungen in New Jersey zu sammeln. „Wenn ich in eine Zoohandlung ging, ging ich sofort in die Futterinsektenabteilung, öffnete die Behälter und sah mir die Würmer an“, sagte sie. „Sie waren alle infiziert. Ich erzählte den Ladenbesitzern, was ich sah, dass ich dieses Virus erforschte, und fragte, ob ich den Behälter haben könnte. Sie waren sofort einverstanden. Sie sagten mir, ich solle so viele nehmen, wie ich brauchte.“

Sie kehrte in ihr Labor zurück, nahm einen Magic Bullet-Mixer, warf die Wurmkadaver hinein und mixte sie bei hoher Geschwindigkeit. Dabei entstand ein Brei aus Käfersaft, den sie mit einem Virusreinigungsverfahren verarbeitete, bei dem das Virus aufgrund seiner Dichte abgetrennt wurde. Im letzten Schritt richtete sie ein fluoreszierendes Licht auf das Zentrifugenröhrchen und das Virus leuchtete blau.

„Als ich es sah, sagte ich: ‚Ich habe dich erwischt‘“, sagte Penzes. „Da wusste ich, dass es tatsächlich ein Virus war.“

Anschließend untersuchte Penzes zusammen mit seinem Kollegen Kaelber, der ebenfalls Elektronenmikroskopiker ist, das Virus mithilfe eines Kryo-Elektronenmikroskops, das eine dreidimensionale Ansicht des Virus, einschließlich seines Inneren, ermöglicht.

„Man nimmt ein Virus, ein Protein, eine Zelle usw. und friert es so schnell ein, dass das Wasser erstarrt, ohne sich in Eiskristalle zu verwandeln“, sagte Kaelber. „Wir können tatsächlich die Aminosäuresequenz des Proteins herausfinden, ohne die DNA zu analysieren, und nur indem wir uns diese 3D-Struktur ansehen, weil wir eine so scharfe Auflösung haben.“

Sie verglichen die Struktur des Proteins mit allen bekannten Proteinen anhand der Datenbank der Protein Data Bank der Rutgers University und fanden heraus, dass es einem Kakerlakenvirus ähnelt, aber nicht mit ihm identisch ist, und dass es zu einer Familie von Tierviren gehört, die als Parvoviren bekannt sind.

„Es ist neu und unterscheidet sich von allem, was bisher sequenziert oder abgebildet wurde“, sagte Penzes.

Die Wissenschaftler sind auch den Superwurmzüchtern im ganzen Land dankbar, die freiwillig Proben schickten, als die Studie bekannt wurde. „Der Eifer der Landwirte, uns bei der Erforschung des Virus zu helfen, hat enorm dazu beigetragen, dass diese Studie veröffentlicht werden konnte“, sagte Penzes.

Das Projekt liefere einen „Proof of Concept“, so Kaelber, dass die Kryo-Elektronenmikroskopie zur direkten Entdeckung und Charakterisierung neuer Krankheitserreger eingesetzt werden könne.

„Wenn es in Zukunft jemals zu einem wirklich bedeutenden Ausbruch kommt, werden wir jedes uns zur Verfügung stehende Werkzeug einsetzen wollen, um zu sehen, was wir finden können“, sagte Kaelber. „Wir möchten die diagnostische Kryo-Elektronenmikroskopie zur Routine machen, damit wir bei unbekannten Infektionskrankheiten viele Möglichkeiten haben, den Erreger noch am selben Tag zu identifizieren.“

Die Kryo-Elektronenmikroskopie hat in den letzten Jahren an Popularität gewonnen und sich zu einer gängigeren Methode für die 3D-Analyse bekannter Proben entwickelt. Die Arbeit von Rutgers ist jedoch das erste Mal, dass die Methode bei einem unbekannten Krankheitserreger eingesetzt wurde.

Nach der Entdeckung des Virus testeten die Forscher eine Möglichkeit, die Z. morio-Käfer vor der Krankheit zu schützen, indem sie ihnen ein eng verwandtes Virus einer anderen Art injizierten, das keine Symptome verursacht. Auf Grundlage dieser Arbeit entwickeln sie derzeit einen Impfstoff.

„Die Entdeckung ist aus zwei Gründen wichtig“, sagte Kaelber. „Erstens können Käferzüchter diese Informationen nutzen, um ihre Kolonien zu schützen und zu verstehen, welche Maßnahmen bei der Bekämpfung der Epidemie wirksam oder unwirksam sein werden. Zweitens war die Käferepidemie ein Praxistest der Technologie, von der wir hoffen, dass sie nützlich sein kann, um zukünftige Ausbrüche bei Menschen, Pflanzen oder Tieren schnell zu untersuchen.“

Die Wissenschaftler Martin Holm vom Rutgers Institute for Quantitative Biomedicine und Samantha Yost von REGENXBIO Inc. in Rockville, Maryland, sind ebenfalls Autoren der Studie.