Mit Großgeräten das Coronavirus entschlüsseln

Die Wissenschaft befindet sich in einem Wettlauf mit der Zeit: Um wirksame Medikamente gegen SARS-CoV-2 zu entwickeln, müssen Forschende das Virus im Detail verstehen. Hochmoderne Großforschungsanlagen leisten hier einen wichtigen Beitrag.

Wissenschaftlerin an der Synchrotronquelle PETRA III
Am Synchrotron PETRA III suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach einem Wirkstoff, der die Vermehrung des Covid-19-Virus verhindert. © Heiner Mueller-Elsner, Hamburg / DESY

Sie strahlen millionenfach intensiver als medizinische Röntgengeräte und erlauben tiefe Einblicke in winzige Strukturen: Mit so genannten Snychrotronen entschlüsseln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler täglich den Aufbau unterschiedlichster Materialien. Synchrotrone sind ringförmige Anlagen, die einen Umfang von mehreren Hundert Metern haben. In ihnen kreisen Elektronen mit annähernd Lichtgeschwindigkeit. Während eines Augenschlags legen sie rund 50.000 Runden zurück. Auf ihrem Weg durch den Ring passieren sie spezielle Magnetanordnungen, die sie auf Slalombahnen durchfliegen. Dabei geben sie intensives Röntgenlicht - die Synchrotronstrahlung - ab. Und dieses weiß die Wissenschaft punktgenau zu fokussieren und für ihre Experimente zu nutzen. Die Strahlung wird meist dazu verwendet, 3D-Abbilder kleinster Objekte zu erstellen. So lassen sich anhand der Struktur mögliche Schwachstellen oder Angriffspunkte am Untersuchungsobjekt auf kleinster Ebene identifizieren. Auf der Suche nach neuen Medikamenten und Therapieansätzen spielen Synchrotrone schon lange eine bedeutende Rolle. Auch in der jetzigen Krisensituation leisten die Großgeräte aus der Grundlagenforschung einen wichtigen Beitrag.

Synchrotrone zur Corona-Forschung

Seit sich SARS-CoV-2 mit hoher Geschwindigkeit um die ganze Welt verbreitet, versuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf der ganzen Welt dem neuen Erreger in möglichst kurzer Zeit seine Geheimnisse zu entlocken. Dabei ist fachübergreifende Zusammenarbeit gefragt, um alle verfügbaren wissenschaftlichen Ressourcen effizient einzusetzen und schnell Ergebnisse zu gewinnen.

Dies zeigen auch zwei vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderte Projekte, die bereits erste Erfolge erzielen konnten. Forschenden der Uni Lübeck ist es gelungen, den Aufbau eines Schlüsselproteins des Corona-Virus am Synchrotron BESSY II am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) zu untersuchen. Das Protein spielt eine zentrale Rolle bei der Vermehrung des Corona-Virus im Körper des Wirts. Denn Viren sind nicht in der Lage sich selbst zu vermehren. Stattdessen dringen sie in Wirtszellen ein und platzieren dort ihr Erbgut. Diese stellen dann neue Viren her. Bei diesen Prozessen spielen Proteine eine wichtige Rolle. Mit ihrer Hilfe koppeln die Viren beispielsweise an die Wirtszellen an. Gelingt es, ein hierfür notwendiges Protein zu blockieren, kann das die Vermehrung des Virus bremsen. Daher analysieren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mit BESSY II nun Proben des isolierten Proteins in Verbindung mit jeweils einem von rund 200 potenziellen Wirkstoffen. Nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip will das Team herausfinden, welche Wirkstoffe (Schlüssel) am besten an das Protein (Schloss) binden und so dessen Aktivität hemmen. Für die systematische Suche steht den Forschenden am HZB eine große Wirkstoffbibliothek mit verschiedenen Wirkstoffmolekülen zur Verfügung. Einige davon könnten sich als wirksam gegen das Virus erweisen.

Alle drei Minuten wird ein neuer Wirkstoff untersucht

Parallel hat am Deutschen Elektronen Synchrotron (DESY) in Hamburg eine Versuchsreihe mit drei Corona-Schlüsselproteinen begonnen. Hier untersuchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler mehrere tausend Wirkstoffe in Kombination mit den Proteinen im hellen Röntgenlicht von PETRA III. Alle drei Minuten wird ein neuer Wirkstoff untersucht – dank vollautomatisierter Messungen und Datenanalyse. Bis jetzt konnten die Forschenden 13 Stoffe identifizieren, die an eines der Proteine binden. Anschließend wollen sie prüfen, ob diese die Proteinaktivität auch hemmen und so die Vermehrung des Virus unterbinden können. In dem Projekt arbeitet das DESY eng mit verschiedenen Partnern zusammen, darunter den Universitäten Lübeck und Hamburg sowie dem Fraunhofer-Institut für Molekularbiologie und Angewandte Oekologie (IME). Das IME ist in der pharmazeutischen Wirkstoffsuche tätig und verfügt über eine umfassende Wirkstoffdatenbank. Darin befinden sich Wirkstoffe, die bereits für die Behandlung von Menschen zugelassen sind oder solche, die sich in verschiedenen Erprobungsphasen befinden.

Dies sind nur zwei von vielen Beispielen, wie Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Kampf gegen das Corona-Virus in Deutschland und weltweit herausragende Expertise und modernste Infrastrukturen bündeln. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung unterstützt seit vielen Jahren die Forschung an Synchrotronen und einer Vielzahl anderer wissenschaftlicher Großgeräte. In der physikalischen Grundlagenforschung ist Deutschland weltweit an derzeit mehr als einem Dutzend einzigartiger wissenschaftlicher Anlagen beteiligt. Im Kontext der akuten Bedrohung durch das Corona-Virus zeigt sich, wie wichtig es ist, Zugang zu exzellenten und etablierten Forschungsinfrastrukturen zu haben. Sie eröffnen den Forschenden die nötigen Voraussetzungen, um zentrale Erkenntnisse zu sammeln und auf dieser Basis neue Medikamente und Therapien zu entwickeln – im Kampf gegen Corona, aber auch bei der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Therapien gegen bekannte Volkskrankheiten wie zum Beispiel Krebs.