Corona-Forschungsbeschleuniger

„Laborrezepte“ für SARS-CoV-2-Proteine entwickelt

Für die meisten der SARS-CoV-2-Proteine haben jetzt Wissenschaftler/-innen Anleitungen erarbeitet, die die hochreine Herstellung jeweils mehrerer Milligramm dieser Proteine ermöglichen und die Bestimmung der dreidimensionalen Proteinstrukturen erlauben.

Dr. Martin Hengesbach (links) und Dr. Andreas Schlundt

Dr. Martin Hengesbach (links) und Dr. Andreas Schlundt am Kernspinresonanz-Spektrometer der Goethe-Universität Frankfurt. | Uwe Dettmar Goethe-Universität Frankfurt

Wenn das SARS-CoV-2-Virus mutiert, bedeutet das zunächst einmal nur eine Änderung im Virenbauplan. Die Mutation führt dazu, dass zum Beispiel an einer Stelle in einem Virus-Protein eine Aminosäure ausgetauscht wird. Um schnell abschätzen zu können, welche Auswirkung diese Änderung hat, ist ein dreidimensionales Bild des Virus-Proteins extrem hilfreich. Denn daran lässt sich erkennen, ob die ausgetauschte Aminosäure wichtig für die Funktion des Proteins ist – oder für die Interaktion mit einem potenziellen Medikament oder Antikörper.

Internationale Vernetzung

Forscherinnen und Forscher der Goethe-Universität Frankfurt und der TU Darmstadt haben bereits zu Beginn der Pandemie damit begonnen, sich international zu vernetzen. Ihr Ziel: die dreidimensionalen Strukturen von SARS-CoV-2-Molekülen mithilfe der Kernspinresonanzspektroskopie (NMR) zu beschreiben. Bei der NMR-Spektroskopie werden Moleküle zunächst mit speziellen Atomsorten (Isotopen) markiert und dann einem starken Magnetfeld ausgesetzt. Mittels NMR kann dann auch mit hohem Durchsatz im Detail geschaut werden, wie potenzielle Wirkstoffe an virale Proteine binden. Dies geschieht unter anderem am Biomolekularen Magnet-Resonanz-Zentrum (BMRZ) der Goethe Universität. Grundvoraussetzung ist jedoch, große Mengen der Proteine in hoher Reinheit und Stabilität sowie korrekter Faltung für die vielen Tests zu produzieren.

Kryo-Elektronenmikroskop

Forscher/-innen des Zentrums für Infektiologie am Universitätsklinikum Heidelberg untersuchten die Struktur und Vervielfältigung des Coronavirus SARS-CoV-2 mit Hilfe von Kryo-Elektronentomografie. Damit lassen sich eventuell Ansatzpunkte zur therapeutischen Intervention finden.

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23 der insgesamt knapp 30 Proteine hergestellt

Das Netzwerk, das von Prof. Harald Schwalbe vom Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie der Goethe-Universität koordiniert wird, umspannt den ganzen Globus. Die Erstellung von Laboranleitungen für die Proteine ist bereits der zweite Meilenstein. Das Virus besteht neben den Proteinen aus RNA, und das Konsortium konnte bereits im vergangenen Jahr alle wichtigen RNA-Fragmente von SARS-CoV-2 zugänglich machen. Mit der Expertise von 129 Kollegen/-innen ist es nun gelungen, 23 der insgesamt knapp 30 Proteine von SARS-CoV-2 komplett oder in wichtige Teilen „im Reagenzglas“ herzustellen und aufzureinigen, und zwar in großen Mengen.

Bestätigung der korrekten Faltung durch NMR-Spektroskopie

Dazu wurden die genetischen Informationen für diese Proteine in kleine, ringförmige DNA-Stücke (Plasmide) eingebaut. Diese Plasmide konnten dann zur Proteinproduktion in Bakterien eingeschleust werden. Einige spezielle Proteine wurden daneben in zellfreien Systemen hergestellt. Ob diese Proteine nach ihrer Isolierung und Anreicherung noch immer korrekt gefaltet waren, wurde unter anderem durch NMR-Spektroskopie bestätigt.

Dr. Martin Hengesbach vom Institut für Organische Chemie und Chemische Biologie der Goethe-Universität erläutert: „Wir haben die funktionellen Einheiten der SARS-CoV-2-Proteine so isoliert, dass ihre Struktur, ihre Funktion und ihre Interaktionen nun von uns selbst und anderen charakterisiert werden können. Damit liefern wir in unserem großen Konsortium die Arbeitsvorschriften, mit deren Hilfe Labore weltweit schnell und reproduzierbar an SARS-CoV-2-Proteinen und auch den kommenden Mutanten arbeiten können. Diese Arbeit von Anfang an zu verteilen, war eines unserer wichtigsten Anliegen. Über die Protokolle hinaus stellen wir auch die Plasmide frei zur Verfügung.“

Gut etablierte Methoden zur Untersuchung des Virus im Labor benötigt

Dr. Andreas Schlundt vom Institut für Molekulare Biowissenschaften der Goethe-Universität betont: „Mit unseren Arbeiten beschleunigen wir die weltweite Suche nach Wirkstoffen: Entsprechend ausgerüstete wissenschaftliche Labore müssen nicht mehrere Monate lang Systeme zur Herstellung und Untersuchung der SARS-CoV-2-Proteine etablieren und optimieren, sondern können nun dank unserer Laborprotokolle innerhalb von zwei Wochen mit ihren Forschungsarbeiten beginnen. Angesichts der zahlreichen Mutationen von SARS-CoV-2 ist es besonders wichtig, verlässliche, schnelle und gut etablierte Methoden zur Untersuchung des Virus im Labor zu besitzen. So wird beispielsweise auch die Erforschung der so genannten Hilfsproteine von SARS-CoV-2 erleichtert, über die bisher wenig bekannt ist, die aber im Mutationsgeschehen auch eine Rolle spielen.“

Unterdessen gehen im NMR-Konsortium die Arbeiten weiter: Derzeit untersuchen die Forscher/-innen mit Hochdruck, ob die viralen Proteine an potenzielle Wirkstoffe binden. Die Forschungsarbeiten wurden und werden mit Mitteln der Deutschen Forschungsgemeinschaft sowie des Goethe-Corona-Fonds gefördert. Der hohe logistische Aufwand und permanente Austausch an Forschungsergebnissen wurde durch die Firma Signals unterstützt, einem Spin-Off der Goethe-Universität.

 

Literatur:

Nadide Altincekic, Sophie Marianne Korn, Nusrat Shahin Qureshi, Marie Dujardin, Martí Ninot-Pedrosa, et al.: Large-scale recombinant production of the SARS-CoV-2 proteome for high-throughput and structural biology applications. Frontiers in Molecular Biosciences,  DOI: 10.3389/fmolb.2021.653148.


Quelle: idw/Goethe-Universität Frankfurt am Main