Eine kurze Geschichte über Viren

Dies ist der zwölfte Artikel von Roger Highfield über die Wissenschaft hinter dem Coronavirus, welcher ursprünglich am 08.06.2020 externe Seite veröffentlicht wurde. Sofern verfügbar, wurden Informationen für die Schweiz von focusTerra, ETH Zürich, hinzugefügt und entsprechend gekennzeichnet. Die Übersetzung ins Deutsche erfolgte durch focusTerra.

Woher kamen die Viren?

Viren sind winzig, sie bestehen aus einem Stück genetischen Codes, das in Fett und Proteine eingewickelt ist. Wenn es um ihren ultimativen Ursprung geht, gibt es externe Seite viele Theorien.

Um den Ursprung der Viren, der externe Seite häufigsten biologischen Einheiten überhaupt, zu erforschen, konsultierte ich Jean-Michel Claverie, emeritierter Professor für Genomik und Bioinformatik an der Medizinischen Fakultät der Universität Aix-Marseille.

Claverie ist ein externe Seite bekannter Virenjäger, der sogar Riesenviren entdeckt hat, die externe Seite sich selber erkälten können.

Viren gibt es schon so lange wie das Zellleben selbst – d.h. externe Seite etwa vier Milliarden Jahre – denn sie sind zur Vermehrung darauf angewiesen, Zellen zu infizieren, erklärte Claverie.

"Die Theorien darüber, dass es Viren zuerst gab, sind Unsinn", sagte er. "Ein einfaches Szenario für die Entstehung von Viren ist ihre Evolution aus Zellen, auch wenn es vielleicht nicht dieselbe Art von Zellen ist, die die heutige Welt dominiert. Es besteht auch keine Notwendigkeit, zu behaupten, dass es genau einen eindeutigen oder einzigen Ursprung der Viren gibt.

Viren können ihre genetische Information in Form der langkettigen, chemischen RNA (wie im Fall des Coronavirus) oder DNA tragen. Und wir wissen nicht, ob RNA-Viren Vorfahren von DNA-Viren sind oder ob sie unabhängig voneinander entstanden sind."

Einige glauben, dass das erste Leben auf RNA beruhte, während andere glauben, externe Seite dass RNA in Lebewesen schon immer mit der DNA koexistiert hat (wie es in den Zellen unseres eigenen Körpers der Fall ist: hier externe Seite führt die RNA die Anweisungen der DNA zur Bildung von Proteinen).

Claverie glaubt jedoch, dass Viren "wahrscheinlich sehr alt" sind und zuerst aus alten RNA-Zellen entstanden sind, obwohl sie viele Male durch "reduktive Evolution" entstanden sind.

Das bedeutet, dass sich das Virus so entwickelt, dass es von den Schlüsselschritten, die es zur Vermehrung benötigt, so viele wie möglich dadurch ersetzt, indem es sich zunehmend auf die chemische Maschinerie der Zellen verlässt, in die es eindringt.

Die reduktive Evolution wurde auch bei parasitären Bakterien beobachtet, erklärte er, wo diese Mikroben winzige genetische Codes haben und für einen Grossteil ihres Stoffwechsels auf Wirtszellen angewiesen sind, ausser der Fähigkeit, sich in zwei Teile zu teilen und ihre eigenen Proteine herzustellen.

Viren seien jedoch noch einfacher als diese Bakterien, sagte er: Weder stellen sie ihre eigenen Proteine her – diese werden von den Zellen, die sie infizieren, hergestellt – noch vermehren sie sich durch Zellteilung.

Stattdessen verbreiten sie ihre Gene, indem sie sie in eine Hülle aus Proteinen und Fett einhüllen – "wie Samen". In Übereinstimmung externe Seite mit einer Idee, die 1957 von dem bahnbrechenden Mikrobiologen André Lwoff entwickelt wurde, glaubt Claverie, externe Seite dass die Art und Weise, wie sie sich vermehren, ein entscheidendes Merkmal von Viren ist.

Woher stammt das COVID-19-Virus?

Was den unmittelbaren Ursprung des SARS-CoV-2-Virus betrifft, so bringt die Analyse seines RNA-Codes es externe Seite mit Viren in Verbindung, die Fledermäuse und das Pangolin, ein Schuppentier, infizieren.

Die genetische Analyse zeigt, dass SARS-CoV-2 am engsten mit einer Gruppe von Viren verwandt ist, die in Hufeisenfledermäusen (Rhinolophus) vorkommen.

externe Seite Unbewiesene Theorien – externe Seite vertreten durch US-Präsident Donald Trump – dass es aus einem Labor in China entwichen ist, sind jedoch nach wie vor in Umlauf.

Wie konnten wir zum ersten Mal die Beschaffenheit der Viren entdecken und sie verstehen?

Um eine kurze Geschichte der Virologie bat ich meine Kollegin im Wissenschaftsmuseum, Katie Dabin, Kuratorin. Ihre redigierten Kommentare sind unten kursiv gesetzt.

Als der englische Arzt Edward Jenner 1796 den ersten Impfstoff zum Schutz gegen das Pockenvirus entwickelte, wusste niemand – Jenner eingeschlossen, dass Viren existieren und die Ursache vieler Krankheiten sind. Krankheiten wurden erklärt als höhere Gewalt, Ungleichgewicht der Säfte oder durch Miasmen – "schlechte Luft" – verursacht.

Erst in den späten 1800er Jahren begannen Wissenschaftler zu zeigen, dass etwas anderes und etwas kleineres als Bakterien Pflanzen- und Menschenkrankheiten verursachen – obwohl diese frühen Experimente nicht genau zeigen konnten, was genau am Werk war. Im Gegensatz zu Bakterien und anderen Mikroorganismen waren Viren zu klein, um unter einem Lichtmikroskop gesehen zu werden – doch dies war das Einzige, was den Forschern damals zur Verfügung stand, um Phänomene zu erkennen, die zu klein waren, um sie von blossem Auge sehen zu können.

Das neue Coronavirus misst etwa 125 Nanometer (125 Milliardstel Meter) im Durchmesser, während die Zellen, in die es eindringt, etwa 10 Mikrometer (10 Millionstel Meter) gross sind und die Wellenlänge von sichtbarem Licht 400-600 Nanometer beträgt.

Der genetische Code des Virus trägt die Anweisung, nur 29 Proteine herzustellen.

Wie haben wir das erste Virus entdeckt?

Das Tabakmosaikvirus (TMV), das Pflanzen infiziert, war das erste Virus, das jemals identifiziert wurde, und steht seitdem an der Spitze der Virusforschung. Erste Hinweise auf das Virus gab es Ende des 19. Jahrhunderts, als eine mysteriöse Infektionskrankheit den Tabak schädigte.

Wenn Sie einen unserer externe Seite aussergewöhnlichen Rauchergegenstände gesehen haben, können Sie sich das Risiko vorstellen, dass die Tabakplantagen von dem Virus verwüstet wurden, was eine soziale und wirtschaftliche Katastrophe bedeutete. Viele Forscher begannen, den unsichtbaren Erreger zu untersuchen, der diese Krankheit verursachte.

1892 lieferte der russische Forscher Dmitri Iwanowskij den ersten konkreten Beweis dafür, dass ein neuer Erreger, der viel kleiner als ein Bakterium war, die Pflanzen infizierte , unter Anwendung eines Chamberland-Filters. Das war für die damalige Zeit Spitzentechnologie.

Der Porzellanfilter, der vom französischen Mikrobiologen Charles Chamberland (1851-1931) erfunden wurde, hatte so kleine Poren, dass nur etwas Kleineres als Bakterien durch ihn hindurchgehen konnte. Iwanowskij zeigte, dass der Pflanzensaft auch nach dem Passieren durch den Filters immer noch infektiöse war, und folgerte daraus, dass er einen neuen, noch nie zuvor entdeckten Infektionserreger enthalten müsse.

Der niederländische Forscher Martinus Beijerinck baute auf Ivanovskys Beobachtungen auf und zeigte, dass der "gefilterte" Krankheitserreger auf wachsende Blätter angewiesen war, um sich zu vermehren, da er sich ohne diese nicht fortpflanzen konnte.

Heute wissen wir, dass sich Viren nur in den Zellen anderer Lebewesen vermehren können. Beijerinck prägte das Wort "Virus" aus dem Lateinischen für «flüssiges Gift», um diese neuen filtrierbaren Krankheitserreger von Bakterien zu unterscheiden.

Letztendlich konnten diese frühen Forscher nicht verhindern, dass das Tabakmosaikvirus viele Plantagen ruinierte, aber ihre Pionierarbeit öffnete die Tür zur Virusforschung, die zu einem besseren Verständnis von Viren, ihrer Rolle bei menschlichen Krankheiten und unserer Fähigkeit, sie unter anderem mit Impfstoffen zu bekämpfen, führte.

Ok, das ist also ein Pflanzenvirus, wie sieht es mit dem Nachweis menschlicher Viren aus?

Nicht lange nach der Entdeckung des Tabakmosaikvirus wurde 1901 das erste "gefilterte" Virus entdeckt, das eine menschliche Krankheit – Gelbfieber – verursachen kann.

Am Ende des 19. Jahrhunderts kamen auf jeden Soldaten, der im Kampf bei der Invasion der Vereinigten Staaten in Kuba während des Krieges mit Spanien im Kampf starb, 13 Soldaten, die an Gelbfieber starben.

Die Krankheit erhielt ihren Namen von Symptomen wie Gelbfärbung der Augen und der Haut, beides Folge einer Gelbsucht, die durch einen Leberschaden hervorgerufen wurde.

Viele Forscher kamen zu dem Schluss, dass sie durch Stechmücken übertragen wurde, aber es war der amerikanische Wissenschaftler James Carroll, der nachweisen konnte, dass gefiltertes Blutserum von einem Patienten die Krankheit auslösen würde, wenn es in ein zweites injiziert wird. Gelbfieber war die erste menschliche Infektionskrankheit, die auf ein Virus zurückgeführt wurde.

Wann begannen wir eigentlich, Viren zu sehen?

Erst nach der Erfindung des externe Seite Elektronenmikroskops 1931 durch Ernst Ruska und Max Knoll, begannen Forschenden zu sehen, wie diese unsichtbaren Erreger aussahen. Damit wandelten diese Mikroskope mit Hilfe von Elektronen statt Licht unser Bild darüber, wie Viren aussehen und was wir von ihnen verstehen.

Nachdem sie 1938 ihre Virusprobe mit Goldnanopartikeln beschichtet hatten (um zu verhindern, dass die Elektronen die Probe "zu Asche verbrennen"), sah Ruskas Bruder Helmut, ein Arzt, zum ersten Mal, wie ein Virus aussah, indem er – man ahnt es – das Tabakmosaikvirus abbildete. Helmut konnte seine Grösse grob bestimmen und zeigte, dass es stabförmig ist.

Obwohl es im Vergleich zum heutigen Stand der Technik Einschränkungen gab, zeigten die Bilder des Ruska-EM, dass die Viren in Form und Grösse variierten. Im Gegensatz zum TMV ist ein Mauspocken-Virus zum Beispiel viel runder.  

Wer war die erste Person, die ein Coronavirus wie SARS-CoV-2 untersucht hat?

Ich habe externe Seite über June Almeida geschrieben, die bahnbrechende schottische Elektronenmikroskopikerin, die das erste Coronavirus identifizierte und sein kronenartiges Spike-Erscheinungsbild beobachtete, nach dem diese Virusfamilie benannt ist.

Sie externe Seite veröffentlichte 1967 die ersten Fotos eines Coronavirus im Journal of General Virology. (…)

Sagt uns EM alles über den Aufbau von Viren?

Einfach ausgedrückt: nein. Um mehr über die Bausteine zu erfahren, aus denen sich die Struktur eines Virus zusammensetzt, leisteten Forscher Pionierarbeit mit einer anderen Technik, der so genannten Röntgenkristallographie. Damit können die molekularen Details von Viren aufgedeckt werden.

Sie besteht im Wesentlichen darin, Röntgenstrahlen auf kristallisierte Substanzen zu richten und ihre Struktur anhand der Muster aufzuzeichnen, die diese Strahlen durch Beugung oder Abprallen an den Molekülen, aus denen sie sich zusammensetzen, erzeugen.

Der erste Schritt, um zu zeigen, dass Viren mit Röntgenkristallographie-Techniken abgebildet werden können, bestand darin, zu zeigen, dass sie überhaupt kristallisiert werden können.

Als Wendell Meredith Stanley 1935 das Tabakmosaikvirus reinigte und kristallisierte, konnten Proteine erst seit kurzer Zeit kristallisiert werden. Entsprechend war es damals noch erstaunlich zu entdecken, dass ein sich replizierender Organismus kristallisiert werden konnte.

Die Forscher begannen Versuche, um mit der Röntgenkristallographie die 3D-Struktur des TMV zu bestimmen, aber es war das unglaubliche Talent der englischen Chemikerin Rosalind Franklin in den 1950er Jahren, die diese Technik nutzte, um die Einheiten und die spiralförmige Struktur des TMV in noch nie dagewesener Detailgenauigkeit aufzudecken.

Mehr über die 29 Proteine des Coronavirus und wie sie menschliche Zellen kidnappen, finden Sie in einem früheren Blog. Ich habe unter anderem auch externe Seite mit der Nobelpreisträgerin Venki Ramakrishnan über die Molekularbiologie des Virus diskutiert.

Hatte Rosalind Franklin nicht etwas mit DNA zu tun?

Ja! Rosalind Franklin ist am besten bekannt für ihre Röntgenbeugungsstudien an externe Seite DNA, die die entscheidenden Hinweise lieferten, die James Watson und Francis Crick benötigten, um zu zeigen, externe Seite dass die Struktur der DNA eine doppelsträngige Spirale war.

Nach ihrer Arbeit an der DNA fuhr Franklin jedoch fort, die dreidimensionale Struktur von Viren am Birkbeck College in London zu studieren. Hier verbrachte sie die letzten fünf Jahre ihres Lebens und leistete Pionierarbeit auf dem Gebiet der Struktur von Viren.

Warum hat Franklin das TMV untersucht?

Das TMV war ein praktisches Virus, um an Röntgenkristallographiestudien zu arbeiten. Es war leicht verfügbar und bildete leicht Kristalle. Seine Stäbchenstruktur liess vermuten, dass es für ein Virus relativ einfach aufgebaut war.

In den 1950er Jahren, als Computer Neuheiten waren, war es selbst eine immense Herausforderung, die Strukturen einfacher Moleküle zu entdecken – und Viren waren viel komplexere Zusammensetzungen aus Proteinen und Nukleinsäuren.

Für Franklin ging es bei der Untersuchung der Struktur des TMV um grundlegende Fragen über die Mechanik lebender Prozesse – insbesondere um die Rolle von Proteinen und Nukleinsäuren für die Aktivität lebender Zellen.

Was hat sie herausgefunden?

Bei der zweiten Beobachtung einer Spiralstruktur in ihrer Karriere zeigten Franklins Röntgenbeugungsbilder, dass das stabförmige Tabakmosaikvirus ein hohles Röhrchen aus Proteinen ist. In seinem Inneren befinden sich Spiralen eines einzelnen RNA-Strangs.

Tatsächlich baute Franklin für die Weltausstellung 1958 in Brüssel externe Seite ein riesiges Modell der Spiralstruktur des TMV nach, das mit dem der ebenfalls dort gezeigten DNA konkurrierte und von dem das Wissenschaftsmuseum eine exakte Replik besitzt.

Das aussergewöhnliche Modell, das ein Segment der TMV-Spirale darstellt, war über 1.5 Meter hoch. Am 16. April 1958, gerade als die Brüsseler Ausstellung mit internationalem Erfolg eröffnet wurde, starb Franklin an Krebs.

Was wissen wir heute über TMV?

Die Proteinhülle des Virus besteht aus mehr als 2000 Kopien eines kleinen Proteins, die sich wie Ziegelsteine in einem zylindrischen Schornstein stapeln. Der RNA-Strang kodiert für vier Proteine, die zusammen den Lebenszyklus des Virus orchestrieren.

Einmal in der Pflanzenzelle angekommen, fällt die Proteinhülle ab und der Nukleinsäureanteil weist die Pflanzenzelle an, mehr Virusnukleinsäure und Virusprotein zu produzieren. Dadurch wird die normale Aktivität der Zelle gestört.

Überraschend ist, dass das Tabakmosaikvirus im Gegensatz zu anderen Viren sehr stabil ist. So stabil, dass es in Zigarren und Zigaretten, die aus infizierten Blättern hergestellt werden, jahrelang überleben kann.

Das steht in krassem Gegensatz zum SARS-CoV-2-Virus, das rund und in eine Fetthülle gehüllt ist, die es besonders anfällig für Seife macht, wenn man sich externe Seite die Hände wäscht.

Ist das TMV in der Lage, uns im Kampf gegen COVID-19 zu helfen?

Einige externe Seite Forschende untersuchen, ob TMV und Tabakpflanzen uns helfen können, die Nachfrage nach der Produktion von Diagnosereagenzien und Antikörpern im weltweiten Produktionsmassstab zu befriedigen, externe Seite um die COVID-19-Pandemie zu bekämpfen.

Pflanzen können eine Lösung bieten, um diese kritischen Inhaltsstoffe in einem Zeitrahmen von Wochen herzustellen, im Vergleich zu Monaten oder sogar Jahren bei zellbasierten Systemen.

Tabakpflanzen wachsen schnell und können so konstruiert werden, dass sie die relevanten Antikörper für Tests und Impfstoffe produzieren können. Dies funktioniert durch die Kombination von TMV mit einem geklonten Teil der genetischen Sequenz, die für ein ausgewähltes Coronavirus-Antigen kodiert.

Aus den Pflanzen könnten Impfstoffe oder Testmittel geerntet und anschliessend gereinigt werden. Die Idee befindet sich in der präklinischen Erprobung.

Es wird interessant sein zu sehen, ob ein einfaches Pflanzenvirus (wie TMV) innerhalb der Virusforschung und im Kontext einer globalen Pandemie weiterhin Geschichte schreiben wird.  

Was kann uns die Elektronenmikroskopie heute zeigen?

In einem meiner früheren Blogs wurde beschrieben, wie die Elektronenmikroskopie verfeinert wurde, um Bilder von Proteinen aufzunehmen, und zwar mit einer Technik, die als Kryo-EM bekannt ist. Nun wurde die Technik zum ersten Mal weiter verfeinert, so dass sie in der Lage ist, einzelne Atome in einem Protein zu erkennen.

Der Fortschritt wurde von externe Seite Holger Stark und Kolleginnen und Kollegen am Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen und einem Team unter der Leitung von externe Seite Sjors Scheres und Radu Aricescu am Medical Research Council Laboratory of Molecular Biology (MRC-LMB) in Cambridge beschrieben.

Letztlich erhalten die Wissenschaftler durch die Untersuchung der Details von Viren neue Erkenntnisse und Munition für den Kampf gegen sie in Form von Tests, Medikamenten und Impfstoffen. externe Seite "Damit eröffnet sich ein ganzes Universum", sagte Aricescu.

Anmerkung: Wie Viren durch eine Impfung besiegt werden können, zeigt dieses externe Seite Video von SRF.

Wie kann ich mehr erfahren?

Das jüngste Bild, wie weit sich die Pandemie ausgebreitet hat, ist auf den Webseiten des externe Seite Johns Hopkins Coronavirus Resource Center oder dem externe Seite Robert Koch-Institut zu sehen.

Sie können die Zahl externe Seite der im Labor bestätigten COVID-19-Fälle und Todesfälle im Vereinigten Königreich sowie die Zahlen des externe Seite Office of National Statistics einsehen.

Weitere Informationen finden Sie in meinen früheren Blogeinträgen, beim externe Seite UKRI, bei der externe Seite EU, den externe Seite US Centers for Disease Control, der externe Seite WHO, auf diesem externe Seite COVID-19-Portal und auf externe Seite Our World in Data.

Anmerkung:

Neuigkeiten Schweiz

Die momentane Anzahl der Coronavirus-Fälle in der Schweiz kann auf der externe Seite Webseite des Bundesamts für Gesundheit abgerufen werden. Auch die Webseite des Schweizer Radio und Fernsehens (SRF) bietet eine gute und laufend aktualisierte externe Seite Übersicht zu diversen Daten sowie externe Seite Antworten auf die häufigsten Fragen im Zusammenhang mit COVID-19.

externe Seite Erste Erkenntnisse aus der Testphase der SwissCovid App, über deren Funktionsweise und Entwicklung im Artikel 8 verschiedene Anmerkungen und weiterführende Links zu finden sind, liegen nun vor. Weitere aktuelle Informationen rund um die App finden sich in diesem externe Seite NZZ-Artikel.