image: This is Christian Eggeling in his laboratory at the University of Jena. view more
Credit: (Image: Jan-Peter Kasper/FSU)
(Jena) Um Krankheiten besser behandeln zu können, müssen wir verstehen, wie sie entstehen. Einem europäischen Forscherteam um Prof. Dr. Christian Eggeling von der Friedrich-Schiller-Universität Jena, dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Universität Oxford ist es nun gelungen, mithilfe von höchstauflösender Bildgebung millisekundengenau sichtbar zu machen, wie das HI-Virus sich zwischen lebenden Zellen verbreitet und welche Moleküle es dazu benötigt. Mit superauflösender STED-Fluoreszenzmikroskopie lieferten die Forschenden erstmals einen direkten Beweis dafür, dass der AIDS-Erreger zum Vervielfältigen ein bestimmtes Lipidmilieu schafft. Damit haben wir eine Methode geschaffen, um zu erforschen, wie sich diese Vermehrung potenziell verhindern lässt, so Eggeling. Die Ergebnisse veröffentlichte das Forscherteam am 2. Oktober 2019 im Fachmagazin Science Advances.
In den Fokus nahmen die Forschenden die Schleuse, durch die das HI-Virus (Human Immunodeficiency Virus/Erworbenes Abwehrschwäche-Syndrom) wieder aus der Zelle heraustritt, nachdem es sie infiziert hat: die Plasmamembran der Wirtszelle. Als Marker diente ihnen dabei das Protein Gag, das die Vorgänge bei der Reifung des Virus koordiniert. Dort, wo sich dieses Protein sammelt, laufen die entscheidenden Vorgänge ab, die dazu führen, dass die Viren sich freisetzen und weitere Zellen infizieren, erläutert Christian Eggeling. Um diese Vorgänge zu entschlüsseln, hat sich das Forschungsteam die Diffusion an diesem Ort der Knospung des budding des Viruspartikels angesehen. Es fand heraus, dass nur bestimmte Lipide mit dem HI-Virus wechselwirken. Zwar waren diese Lipide prinzipiell schon vorher bekannt, aber das Team konnte diese Wechselwirkung erstmals direkt an der lebenden und infizierten Zelle nachweisen.
Angriffspunkt, um Vermehrung des Virus zu verhindern
Damit haben wir einen potenziellen Angriffspunkt, an dem antivirale Medikamente ansetzen könnten, so Christian Eggeling. Zu wissen, welche Moleküle das HI-Virus braucht, um aus der Zelle herauszutreten und sich zu vervielfältigen, ist eine entscheidende Voraussetzung, um zu erforschen, wie sich dies verhindern lässt. Mit unserer Technik können wir das jetzt direkt und live verfolgen. Mit seinem Team will der Jenaer Forscher nun Antikörper entwickeln, die genau diese Moleküle angreifen und so die Verbreitung des Virus unterdrücken.
Wir wollen diese Antikörper nicht nur in medizinischer Hinsicht untersuchen, sondern herausfinden, wie man ihre biophysikalische Wechselwirkung nutzen kann, um ihre Wirksamkeit zu verstärken, umschreibt Eggeling sein Forschungsprogramm. Dazu analysieren wir biologische Vorgänge nämlich die Interaktion von Zellen und Molekülen mithilfe physikalischer Parameter wie Diffusion. Vor einem guten Jahr ist der Physiker von Oxford nach Jena gewechselt. Neben seiner Professur für Superresolution Microscopy an der Universität Jena leitet er am Leibniz-IPHT die Forschungsabteilung Biophysikalische Bildgebung. Er führt zudem noch seine Arbeitsgruppe in der MRC Human Immunology Unit und am Wolfson Imaging Centre des Weatherall Institute of Molecular Medicine der Universität Oxford.
Einzelne Moleküle in lebenden Zellen räumlich und zeitlich untersuchen
Um auf kleinster, molekularer Ebene zu verstehen, wie Krankheiten entstehen, kombiniert Christian Eggeling räumlich superauflösende Fluoreszenzmikroskopie-Techniken mit Methoden, die es ermöglichen, die Bewegung markierter Moleküle in Echtzeit zu verfolgen. So können er und sein Forscherteam einzelne Moleküle etwa in Zellmembranen in lebenden Zellen räumlich und zeitlich untersuchen. Das ermöglicht es uns, zelluläre Mechanismen auf molekularer Ebene zu enthüllen, die für bisherige Untersuchungsmethoden viel zu schnell sind und auf viel zu kleinen räumlichen Skalen ablaufen.
Neue superauflösende Fluoreszenzmikroskopietechniken hat Christian Eggeling zuvor bereits am Göttinger Max-Planck-Institut für Biophysikalische Chemie in der Gruppe von Stefan W. Hell erforscht. Stefan Hell erhielt dafür zusammen mit Eric Betzig und William E. Moerner im Jahr 2014 den Nobelpreis für Chemie. In Jena möchte Eggeling nun in enger Zusammenarbeit mit Biologen und Medizinern herausfinden, wie man diese Methoden nutzen kann, um Krankheiten frühzeitiger und genauer zu erkennen und möglicherweise sogar zu verhindern.
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Science Advances