Viren sind als Krankheitserreger bekannt, die lästig bis tödlich sind, wie gewöhnliche Schnupfenviren (Rhinoviren), SARS-CoV-2 und HIV. „Abgespeckte Versionen“ diverser Viren sind aber als Genfähren, also als eine Art Transportvehikel, für Wissenschafter nützlich, um Zellen zu markieren und Zellfunktionen zu verändern. Ein „Virus Service Team“ des IST Austria konstruiert solche Genfähren für Forschungszwecke, berichtete am das ISTA.
Mit speziell im Labor hergestellten Virus-Genfähren, die Abkömmlinge natürlicher Viren sind, kann man genetisches Material in Zellen einschleusen, um diese zu erforschen. So wird es etwa möglich, Mechanismen für das Wachstum, Bewegungen und Stoffwechselaktivitäten in Zellen Schritt für Schritt zu verfolgen, so die Bioingenieure um Flavia Leite.
Viren als hocheffiziente Maschinen
Natürliche Viren sind winzige molekulare Maschinen, die hocheffizient Wirtszellen infizieren und sie dazu bringen, Viruspartikel zu produzieren. Die meisten von ihnen sind kleiner als die kürzeste Wellenlänge sichtbaren Lichts (violett mit 380 Nanometer = Milliardstel Meter). Sie sind am ganzen Globus verbreitet, so Leite.
Viren bestehen aus einer Eiweißhülle, die manchmal (wie beim Coronavirus) mit einer zusätzlichen Fettstoffhülle umgeben ist. Diese Ummantelungen schützen das virale Erbgut, auf dem quasi geschrieben steht, dass von den befallenen Zellen viele neue Viren herzustellen sind. Diese Aufgabe wird unfreiwillig von den Wirtszellen übernommen, die sich dadurch in der Regel selbst schädigen.
„Im Labor des Virus Service verwenden wir veränderte Viren, die nicht mehr gefährlich sind“, so Leite. „Sie können zwar die Zellen infizieren, also in sie eindringen, aber sie sind nicht ansteckend, und können nicht in einen neuen Wirt überspringen“, erklärte sie der Austria Presse Agentur: Sobald die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sie in dem Experiment verwenden, wären die Virus-Genfähren quasi aufgebraucht und könnten keine neuen Zellen oder gar einen Menschen oder andere Tiere infizieren. „Ihr einziger Job ist es, Eiweißstoffe in die Zellen zu liefern“, meint die Bioingenieurin.
Keine Vermischung mit Coronaviren
Die Forscherinnen und Forscher hantieren mit den Virus-Genfähren in Biosicherheits-Werkbänken in Biosicherheits-Labors (Schutzstufe 1-2), hier dürften etwa keine SARS-CoV-2-Viren vermehrt werden, weil sie theoretisch mit den Virus-Genfähren infiziert werden könnten, so Leite: Dieses Risiko beträfe aber nur die Forscher selbst, denn die zu Genfähren degradierten Viren könnten sich eben nicht weiter ausbreiten. „Sie sind auf äußerst vorsichtige Art so konstruiert, dass sie keine der Gene besitzen, mit denen sie neue Viren produzieren könnten“, erklärt Leite.
Anstatt des ursprünglichen genetischen Materials zur Virusvermehrung tragen sie ein beliebiges Gen in die Zellen hinein, über dessen Funktion die Forscher mehr erfahren wollen, berichtet Leite. Dieser genetische Code ist teils so gestaltet, dass er in das natürliche Erbgut der Zelle eingefügt wird.
Mit sogenannten „Adeno-assoziierten Viren“ könne man zum Beispiel einen grün fluoreszierenden Eiweißstoff produzieren. Die Zielzellen – oder bestimmte Strukturen darin – würde man anschließend im Mikroskop grün leuchten sehen, wenn sie mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Nebst grünen gibt es auch blaue, rote und gelb fluoreszierende Eiweißstoffe, es bestünde also die Möglichkeit, mehrere unterschiedliche Strukturen farbig zu markieren, um ihren Werdegang zu beobachten.
Ausschalten von Genen via Licht
„Unsere Viren fungieren auch als molekulare Werkzeuge“, so Leite: „Damit kann man etwa ein Gen ausschalten, um zu verstehen, welche Rolle es in der Zelle spielt.“ Außerdem würden die Forscher manchmal Gene so verändern, dass sie durch Lichtblitze ein- und ausgeschaltet werden. „Die Adeno-assoziierten Viren sind besonders für Neurowissenschafter nützlich, weil sie auf unterschiedliche Arten von Gehirnzellen abzielen“, erklärt die Forscherin. Damit könne man also einzelne Gehirnstrukturen erforschen.
„Lentiviren“ hätten wiederum die „besondere Fähigkeit“, die Erbgutstücke (DNA), die sie tragen, zu einem festen Bestandteil des Erbguts einer Zelle zu machen. „Auf diese Weise wird die eingeschleuste DNA dann an die Nachkommen der Zelle weitergegeben, und wir können fortlaufende Zelllinien erzeugen“, sagt Leite. Auch hier sei das Einschleusen von grün fluoreszierendem Protein möglich. „Am ISTA setzt Sandra Siegert sie zum Beispiel ein, um Mikroglia-Immunzellen im Gehirn zu verfolgen, und Michael Sixt verwendet Lentiviren, um Immunzellen zu beobachten, die sich durch dichtes Gewebe bewegen“.
Auch Abkömmlinge von Tollwutviren werden vom Team des Virus Service am ISTA in Klosterneuburg hergestellt. „Während es in seiner natürlichen Form sehr gefährlich ist, kann es im Labor Neurowissenschaftlern helfen, Verbindungen im Gehirn zu kartieren“, so „Virus Service“-Techniker Mark Smyth: „Bei richtiger Anwendung infiziert es die Nervenzellen in der dem Informationsfluss im Gehirn entgegengesetzter Richtung“. Der Informationspfad wird dadurch im Mikroskop sichtbar, indem das Virus die Neuronen dazu bringt, fluoreszierende Eiweißstoffe herzustellen.